萤光材料从医学生物标记到太阳能电池都能发挥不小作用,然而它有个瓶颈:染料分子在固体状态下不再发射光子,这也是为什么荧光棒里面添加装了萤光染料的化学物质是液体。现在科学家终于突破 150 年来一直未解的难题,设计出称为“SMILES”的新材料,能让萤光染料分子在固态状态下发出前所未见的明亮萤光。
为什么传统荧光棒发光前要先将它又摔又打又折(没那么夸张),才能使里面的液体化学成分发光?首先荧光棒里面还分为内管与外管,各自装了 2 种不同化学成分的液体,内管为过氧化氢(双氧水)、外管为酯类化合物与萤光染料的结合物,当内外管混合后导致化学反应,过程中萤光染料借由光子释出能量(化学萤光反应),也就是我们能看见的萤光。
然而气体或液体并不是萤光分子最理想的状态,它们难以控制和制造,还有泄漏疑虑。变成固体的话,倒是可以在一个空间内堆积更多萤光染料分子,然而问题来了,目前有超过 100,000 种不同的萤光染料可用,但几乎没任何一种能以可预测的方式发光。
这是因为萤光染料在固态状态中紧密堆积后会发生“淬灭”(fluorescence quenching)现象,简单来说,分子会结合在一起从而降低萤光强度,还会以无法预测的方式改变颜色。
为克服这问题,由印第安纳大学 Amar H. Flood、哥本哈根大学 Bo W. Laursen 两名化学家领导的团队,将有色染料与含有称为 cyanostars 环状分子的无色溶液混合,发现这种配方在转变为固体后可以让各染料分子保持分离,进而不影响发光强度,研究人员将该固态混合物称为 SMILES(small-molecule ionic isolation lattices)。
接着团队利用 3D 打印制造出 SMILES 固态材料,确认它们在紫外光照射下发出史无前例的明亮萤光,比目前应用于医学诊断的硒化镉量子点材料还要亮 30 倍。
虽然研究人员也不知道新材料的发光极限到哪,但至少已提供一个新的制造方向,太阳能相关技术、医学影像诊断、激光光甚至药物开发领域等或都将能受益。新论文发表在《化学》(Chem)期刊。
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- Fluorescent materials are the brightest ever made
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(首图来源:Amar Flood/eurekalert)