Nowa klasa wydajnych materiałów emitujących światło

Opracowali je naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie i Politechniki Warszawskiej pod kierownictwem prof. Janusza Lewińskiego. Prostota syntezy i unikalne właściwości tych materiałów czynią je bardzo obiecującym kandydatem do praktycznych zastosowań w urządzeniach optoelektronicznych.

Rosnące zapotrzebowanie na sztuczne światło przyspieszyło rozwój badań nad materiałami emitującymi światło po odpowiednim wzbudzeniu oraz bazujących na nich energooszczędnych rozwiązań takich jak czujniki optyczne, wyświetlacze czy bioobrazowanie. Dlatego naukowcy intensywnie poszukują nowych materiałów luminescencyjnych, zwanych też luminoforami. 

Luminofory, oparte na kompleksach metali z grupy głównej pierwiastków układu okresowego, cieszą się w ostatnich latach dużym zainteresowaniem. Zaletą stosowania kompleksów metali jest możliwość dostosowywania ich właściwości fotofizycznych poprzez modyfikację rodzaju centrum metalicznego, liganda organicznego lub struktury kompleksu. Glin jest łatwo dostępnym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej i od czasu przełomowego zastosowania molekularnego kompleksu Alq3 (tris(8-hydroksychinolinato)aluminium) w diodach LED w 1987 roku różne kompleksy glinu były badane pod kątem ich właściwości fotofizycznych.

Ostatnio naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) i Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej pod kierownictwem prof. Janusza Lewińskiego we współpracy z prof. Andrew E. H. Wheatley’em z Uniwersytetu Cambridge, opracowali nową klasę wysoce luminescencyjnych kompleksów glinoorganicznych. Czerpiąc inspirację z wcześniejszych prac i materiałów wzorcowych, takich jak Alq3, badacze zsyntetyzowali nową serię unikalnych tetramerycznych, chiralnych na centrum metalicznym alkilowoglinowych kompleksów [(R′-anth)AlR]4 zawierających łatwo dostępne ligandy z grupy aminokwasów aromatycznych. Te oryginalne glinoorganiczne pochodne kwasu antranilowego wykazują wyjątkowo obiecujące właściwości optoelektroniczne.

Wyniki pracy opublikowało pismo „Angewandte Chemie International Edition” w artykule  „Luminescent Alkylaluminium Anthranilates Reaching Unity Quantum Yield in the Condensed Phase”: https://doi.org/10.1002/anie.202501985.

– W niniejszej pracy skupiamy się na komercyjnie dostępnym kwasie antranilowym (anth-H2) i jego N-metylowych (Me-anth-H2) i N-fenylowych (Ph-anth-H2) pochodnych jako modelowych proligandach – opisuje Vadim Szejko z Wydziału Chemicznego PW, pierwszy autor publikacji. – Reakcja każdego z tych kwasów z odpowiednim związkiem R3Al w toluenie doprowadziła do powstania serii czwartorzędowych stereogenicznych kompleksów, które mają unikalne właściwości.

Badania fotofizyczne wykazały, że antranilany na bazie glinu wykazują wydajność kwantową fotoluminescencji sięgającą 100% w stanie stałym. Wykazano, że subtelne modyfikacje ligandów znacznie zwiększają wydajność emisji, otwierając nowe ścieżki projektowania zaawansowanych materiałów luminescencyjnych tej klasy.

– Zmieniając podstawniki na atomie azotu z atomu wodoru na grupę metylową i fenylową, opracowaliśmy serię luminoforów, które wykazują słabą do doskonałej wydajność, dostarczając pochodną [(Ph-anth)AlEt]4, która osiąga maksimum wydajności kwantowej fotoluminescencji w fazie skondensowanej, co jest bezprecedensowe dla kompleksów glinu – zauważa dr Iwona Justyniak z Instytutu Chemii Fizycznej PAN. 

Z kolei obliczenia kwantowo-chemiczne umożliwiły wgląd w naturę przejść elektronowych i zidentyfikowały poszczególne fragmenty na poziomie pojedynczej cząsteczki, które najsilniej przyczyniają się do zaobserwowanych właściwości fotofizycznych materiału. Modyfikacje ligandów hamowały niepożądane ścieżki relaksacji, zwiększając wydajność emisji. W ciele stałym niekowalencyjne oddziaływania wewnątrz- i międzycząsteczkowe pomagają zachować integralność strukturalną podczas wzbudzenia, minimalizując zniekształcenia, które w przeciwnym razie zmniejszyłyby fluorescencję. Określona agregacja cząsteczek zwiększa sztywność całego układu, podtrzymując wysoką luminescencję.

Zaprezentowana praca jest krokiem milowym w projektowaniu nowych, łatwo dostępnych, wysoce wydajnych materiałów fluorescencyjnych. Prostota modyfikacji szkieletu ligandu oferuje możliwość dalszego ulepszania układu w celu osiągnięcia większej stabilności chemicznej i umożliwia modulację właściwości optycznych, co przybliża nas do praktycznych zastosowań, zwłaszcza w technologiach takich jak OLED, ekrany wyświetlaczy i czujniki.

Badania uzyskały finansowanie z Narodowego Centrum Nauki (NCN) – grant OPUS 19, No. 2020/ 37/B/ST4/03310. 

Źródło: ichf.edu.pl