Färgämnen som också är av stort intresse för organisk elektronik har nyligen framställts och kristalliserats vid Wiens tekniska universitet. Allt som krävs är vatten, om än under mycket ovanliga förhållanden.

Dessa färgämnen imponerar inte bara på grund av sin strålande och intensiva färg, de har också en viktig teknisk betydelse:organiska färgämnen är en materialklass med extremt speciella egenskaper. Från platta skärmar till elektroniskt papper till chipkort:i framtiden, många teknologier kommer sannolikt att baseras på organiska molekyler som dessa.

Tidigare, sådana material kunde endast framställas med hjälp av komplexa syntesmetoder som är otroligt skadliga för miljön. Dock, Forskare vid Wiens tekniska universitet har nu framgångsrikt syntetiserat flera typiska representanter för denna materialklass på ett helt nytt och annorlunda sätt:giftiga lösningsmedel har ersatts med vatten. Men hur görs detta? När vattnet värms upp till extremt höga temperaturer, dess egenskaper förändras avsevärt. Detaljer om den nya beredningsmetoden som nyligen publicerats i den prestigefyllda vetenskapliga tidskriften Angewandte Chemie .

Vattnets egenskaper förändras utan behov av tillsatser

"Om du skulle lyssna på din första magkänsla, du skulle faktiskt misstänka att vatten är det värsta lösningsmedlet man kan tänka sig för att syntetisera och kristallisera dessa molekyler, "säger Miriam Unterlass från Institute of Materials Chemistry vid Wiens tekniska universitet." Anledningen till denna förväntan är att de färgämnen vi producerar är extremt vattenavvisande. "Om du, till exempel, applicera en liten droppe vatten på lite torrt färgpulver, droppen bara rullar av. Färgen kan inte blandas med vatten.

Men detta beteende gäller bara för vatten som vi känner det från vardagsbruk. Forskarna vid Wiens tekniska universitet använde vatten uppvärmt till minst 180°C i speciella tryckkärl. Under dessa omständigheter, trycket ökar drastiskt, så att huvuddelen av vattnet förblir flytande trots de förhöjda temperaturerna. Vattens kemiska och fysikaliska egenskaper förändras drastiskt under dessa förhållanden.

För varmt för vätebindning

"Kylans egenskaper, flytande vatten påverkas starkt av vad som kallas vätebindning, " förklarar Miriam Unterlass. "Dessa är svaga bindningar mellan vattenmolekyler som ständigt bryts och reformeras." I genomsnitt, varje vattenmolekyl är kopplad till tre eller fyra andra vattenmolekyler när som helst vid rumstemperatur. I en tryckkokare, antalet vätebindningar per molekyl minskar.

"Detta betyder också att många fler joner finns i vatten vid höga temperaturer än under standardförhållanden - en viss mängd H ₂ O-molekyler kan bli H ₃ O+ eller OH-, " förklarar Unterlass. Och detta förändrar vattnets egenskaper dramatiskt:i en viss mening, den beter sig som en syra och en bas på samma gång – den kan fungera både som en sur och en basisk katalysator och därför påskynda vissa reaktioner eller till och med möjliggöra dem i första hand.

Bland annat, det högre antalet joner i vattnet vid förhöjda temperaturer är en viktig orsak för att underlätta upplösningen av organiska ämnen som är helt olösliga under normala förhållanden. Följaktligen, färgmolekylerna som studeras kanske inte bara syntetiseras i vatten, men också kristalliserade:de löses upp vid tillräckligt höga temperaturer och kristalliserar sedan när de svalnar.

"I vanliga fall, giftiga lösningsmedel behövs för att framställa eller kristallisera sådana färgämnen. I vårat fall, fastän, rent vatten visar önskade lösningsmedelsegenskaper – allt du behöver är tryck och värme, säger Miriam Unterlass.

Kristaller för morgondagens elektronik

"I ett mycket kristallint tillstånd - det vill säga med hög ordningsgrad på molekylär nivå - förbättras de elektroniska egenskaperna hos dessa material. Det är därför särskilt viktigt för tillämpningar inom organisk elektronik att ha en hög kontroll över kristallisationsprocessen, säger Unterlass.

För dessa kristaller dock det finns också några mycket olika potentiella tillämpningar. "De kan användas överallt där kraven på färgämnen är ganska krävande, " säger Unterlass. "En sådan applikation skulle vara billack, eller andra områden där extrema kemiska eller termiska förhållanden råder, eftersom materialen också blir mer stabila desto mer kristallina är de. "