En cirkulär film av organiskt material som lyser i mörkret visas i svagt omgivande ljus (överst) och i mörker efter exponering för ultraviolett ljus (nederst). Ultraviolett ljus användes för att snabbt ackumulera energi och producera en stark glöd, men glöd-i-mörkret-effekten kan även uppnås genom exponering med ett vanligt vitt LED-ljus. Filmen använder en blandning av donator- och acceptormolekyler för att uppnå denna effekt för första gången med organiska material. Processen startar när en acceptor absorberar infallande ljusenergi, leder till överföring av en positiv laddning, eller hål, från elektronacceptorn till en elektrondonator (1). Den ytterligare negativa laddningen, eller elektron, på acceptorn separeras sedan från hålet genom att hoppa bland andra acceptorer (2). Energin lagras nu över en rymdseparerad elektron och hål (3). Elektronen rör sig så småningom tillbaka mot hålet (4), och ljus sänds ut när de två möts (5). Vissa laddningar kombineras snabbt igen, men många kan förbli lagrade i laddningsseparerat tillstånd under lång tid (3), vilket leder till den glödande emissionen långt efter att excitationsljuset släckts. Kredit:Ryota Kabe och William J. Potscavage Jr.
Glow-in-the-dark-färger som har förbättrat flexibiliteten och transparensen samtidigt som de är billigare och enklare att tillverka är vid horisonten tack vare ny forskning från Kyushu University. I en banbrytande demonstration, ljusemission som varar mer än en timme uppnåddes från organiska material, som också är lovande för att låsa upp nya applikationer som inom bio-avbildning.
Baserat på en process som kallas persistent luminescens, material som lyser i mörkret fungerar genom att långsamt frigöra energi som absorberas från omgivande ljus. Används i klockor och nödskyltar, kommersiella glöd-i-mörker-material är baserade på oorganiska föreningar och inkluderar sällsynta metaller som europium och dysprosium. Dock, dessa material är dyra, kräver höga temperaturer för att tillverka, och sprid ljus – i motsats till att vara genomskinligt – när det mals till pulver för färger.
Kolbaserade organiska material - liknande de som används i plaster och pigment - kan övervinna många av dessa nackdelar. De kan vara utmärkta sändare och används redan i stor utsträckning i organiska lysdioder (OLED). Men att uppnå långlivade utsläpp har varit svårt, och det längsta utsläppet från organiska ämnen under inomhusbelysning vid rumstemperatur var, tills nu, bara några minuter.
Forskare vid Kyushu Universitys Center for Organic Photonics and Electronics Research (OPERA) har nu brutit igenom denna gräns genom att använda enkla blandningar av två lämpliga molekyler. I filmer som bildas genom att smälta samman molekyler som donerar elektroner och sådana som tar emot elektroner, emission som varar i över en timme visades för första gången från organiska material utan behov av intensiva ljuskällor eller låga temperaturer.
"Många organiska material kan använda energi som absorberas från ljus för att avge ljus av en annan färg, men denna emission är i allmänhet snabb eftersom energin lagras direkt på molekylen som producerar emissionen, " säger Ryota Kabe, huvudförfattare på tidningen som rapporterar dessa nya rön.
"Däremot våra blandningar lagrar energin i elektriska laddningar separerade över en längre sträcka. Detta ytterligare steg tillåter oss att kraftigt bromsa frigörandet av energin som ljus, och därigenom uppnår glöd-i-mörkret-effekten."
I blandningarna, absorption av ljus av en elektronaccepterande molekyl, eller acceptor, ger molekylen extra energi som den kan använda för att ta bort en elektron från en elektrondonerande molekyl, eller donator. Denna överföring av en elektron är i praktiken detsamma som en positiv laddning som överförs från acceptorn till givaren.
Den extra elektronen på acceptorn kan sedan hoppa till andra acceptorer och flytta bort från den positivt laddade donatorn, vilket resulterar i separering av avgifterna. De separerade laddningarna kommer gradvis samman igen - vissa långsamt och andra snabbare - och frigör sin energi som ljus under nästan en timme.
Blandningarna och processerna liknar det som finns i organiska solceller och OLED. Efter att ha byggt upp separerade laddningar som i en solcell, anklagelserna har ingenstans att fly, så de kommer så småningom tillbaka tillsammans för att avge ljus som en OLED. Den viktigaste skillnaden i de nyutvecklade blandningarna är att laddningarna kan existera i ett separerat tillstånd under mycket långa perioder.
"Med organiskt, vi har en fantastisk möjlighet att minska kostnaderna för material som lyser i mörkret, så det första stället vi förväntar oss att se en effekt är tillämpningar för stora områden, som glödande korridorer eller vägar för ökad säkerhet, " säger Chihaya Adachi, Direktör för OPERA.
Chihaya Adachi (vänster) och Ryota Kabe (höger) från Kyushu Universitys Center for Organic Photonics and Electronics Research (OPERA) har utvecklat världens första glöd-i-mörker-material baserat på organiska molekyler. Ljus från materialen produceras när en elektron överförs från en acceptormolekyl till en donatormolekyl, vilket representeras av diagrammet som bildas av deras händer. Kredit:Centrum för organisk fotonik och elektronikforskning
"Efter det, vi kan börja fundera på att utnyttja mångsidigheten hos organiska material för att utveckla tyger och fönster som lyser i mörkret, eller till och med biokompatibla prober för medicinsk bildbehandling."
Den första utmaningen att ta itu med på vägen till praktisk användning är processens känslighet för syre och vatten. Skyddsbarriärer används redan i organisk elektronik och oorganiska glöd-i-mörker-material, så forskarna är övertygade om att en lösning kan hittas. Samtidigt de undersöker också nya molekylära strukturer för att öka emissionens varaktighet och effektivitet samt för att ändra färgen.
Med ansträngningar att lösa dessa återstående problem pågår, en ny våg av glöd-i-mörkret material baserade på organiska ämnen ser redo att pigga upp området och utöka deras applikationer.
