Forskare tittar på självlysande transparenta filmer för användning i energieffektiva skärmar (som LED-skärmar) och andra applikationer, och de möjligheter det öppnar för att utveckla metoder inom flera områden av biologisk och elektronikforskning. Dock, även om flerfärgsavgivande transparenta solida filmer har utvecklats, att hitta effektiva sätt att justera färgen och intensiteten på ljusemissionerna har varit utmanande.

Nu, i en nyligen publicerad artikel i The Royal Society of Chemistry's Materialframsteg , en ny mekanism för att enkelt ställa in luminescensen hos ett nyligen modifierat ljusemitterande fast transparent material – det innebär helt enkelt att modulera dess protonkoncentration (eller pH) via applicering av en spänning.

Detta material utvecklades i professor Makoto Tadokoros labb, en oorganisk kemist och materialvetare vid Tokyo University of Science i Japan. Prof Tadokoro och hans team, inklusive Dr Hajime Kamebuchi från Nihon University, Japan, och Mr. Taiho Yoshioka från Tokyo University of Science, började med en transparent polymerfilm som heter Nafion. Nafionfilmer är välkända som protonledare (material i vilka elektricitet leds via protoners rörelse) och katjonbytare (material som lätt attraherar positivt laddade partiklar). Dessa två egenskaper visade sig vara nyckeln till den luminescenskontroll som materialet ger som det så småningom skulle hjälpa till att bilda.

En tredje egenskap hos Nafion som gjorde det ännu mer användbart för Prof Tadokoros team är dess molekylära struktur. Nafions struktur tillät "komplex" av två metaller, terbium (Tb) och europium (Eu), som är kända för att vara ljussändare, att bäddas in i den när den doppades i en lösning innehållande metallkomplexen. Således, tillverkningsprocessen av materialet var enkel och billig.

När slutprodukten - en polymerfilm innehållande metallkomplex - nedsänktes i en sur lösning (pH 2-5; protondonator), det blev grönt. Indränkt i en alkalisk lösning (pH 9-12; protonacceptor), den blev röd. I en neutral lösning (pH 6-8), det blev gult (en kombination av rött och grönt).

Spektroskopisk analys berättade för författarna varför dessa specifika färgförändringar inträffade. I sura lösningar, protonerna som Nafion tog upp "tände på" Tb-metalljonerna, men inte Eu-metalljonerna. I alkaliska lösningar, Eu-metalljoner tog rampljuset och utsläppen från Tb-jonerna släcktes. I neutrala lösningar, båda avgav ljus. Detta bekräftade att protonkoncentrationsgradienten i materialet bestämde dess luminescens.

Forskarna kunde sedan enkelt ställa in luminescensen genom att haka fast materialet på ett batteri efter att ha dopat det i en sur lösning. Den sura lösningen gjorde materialet grönt. Men vid applicering av en spänning, när protoner rörde sig mot den negativt laddade sidan av materialet, den protonbristande positivt laddade sidan började bli röd. Den centrala delen av materialet blev gul. Prof Tadokoro säger, "Vi tror att detta var den mest utmanande delen av vår studie - och för övrigt också vår största framgång. Upptäckten att flödet av protoner i ett fast medium under ett elektriskt fält kan kontrolleras, vilket i sin tur låter oss styra "färgen" på det utsända ljuset, är utan motstycke. I biologiska system, jonflöden är ansvariga för många väsentliga biokemiska aktiviteter. De "solid-state jonics" som vi demonstrerat kan hitta tillämpningar inom många olika områden."

På ytterligare frågor om den praktiska betydelsen av hans arbete, Prof Tadokoro säger, "Våra fynd visar att det är möjligt att tillverka billiga flerfärgs-emitterande glas- eller filmmaterial vars emissioner kan justeras genom att helt enkelt applicera en spänning för att kontrollera protonflödet, och därför protongradient, inom materialet. Med andra ord, inte bara elektronledning, men protonledning kan vara ett sätt på vilket material luminescens kontrolleras."

Men, Även om den här studien är ett stort steg på resan mot att uppnå transparenta strålare för ett brett spektrum av applikationer – som att detektera pH-gradienter i biologiska celler eller att konstruera nya displayer och belysningsapparater – är enheten som utvecklats här inte riktigt redo för marknaden. Prof Tadokoro säger, "Vi försöker nu lägga till ett blått ljusemitterande komplex i vårt system, så att vi kan få ett material som kan avge ljus över hela det synliga spektrumet."

När det väl är uppnått, vetenskapen kommer att utvecklas lite mer, och en ny generation av mycket inställbara flerfärgsavgivande material kanske inte är för långt borta.