Leuchtend bunt: Chemiker haben einen ganz neuen Typ fluoreszierender Materialien entwickelt – diese Kristalle leuchten strahlend bunt und ermöglichen erstmals die einfache Herstellung von leuchtstarken Fluoreszenz-Feststoffen. Möglich wurde dies durch die Kombination klassischer, flüssiger Fluoreszenz-Farbstoffe mit speziellen Gerüstmolekülen. Sie verhindern leuchthemmende Wechselwirkungen im Kristall.
Fluoreszenz entsteht, wenn Atome durch Strahlung angeregt werden und dann die Energie als Photonen wieder abgeben. Diese Form des Leuchtens kommt in der Natur häufig vor, hat aber auch für Technik und Wissenschaft große Bedeutung. So dienen flüssige Fluoreszenzmarker dazu, Moleküle, Zellen und Gewebe sichtbar zu machen, Leuchtdioden nutzen die Farbstoffe als Leuchtmittel und auch in der Photovoltaik und Photonik spielt Fluoreszenz eine wichtige Rolle.
Beim Erstarren schwindet das Leuchten
Doch ein großes Manko haben alle gut 10.000 bisher bekannten Fluoreszenz-Farbstoffe: Sie lassen sich nicht in Feststoffe umwandeln oder einbauen, ohne dass sie ihre Leuchtkraft verlieren. Sobald sie in eine kristalline Form überführt werden, beginnen die Farbstoffmoleküle miteinander zu wechselwirken und ändern so ihren Quantenzustand. Damit geht auch meist die Fluoreszenz verloren.
„Das Problem dieser Kopplung und des sogenannten Quenchings tritt auf, weil die Farbstoff-Moleküle in den Feststoffen sozusagen Schulter an Schulter stehen“, erklärt Seniorautor Amar Flood von der Indiana University. „Dadurch können sie nicht anders, als sich gegenseitig zu beeinflussen und sich zu stören.“ Zwar gibt es schon Versuche, die Fluoreszenz-Farbstoffe durch chemische Anlagerungen auf Abstand zu halten, dies erfordert aber meist aufwändige und nicht immer erfolgreiche Umwandlungen.
Ringmoleküle als Abstandshalter
Eine verblüffend simple Lösung dieses gut 150 Jahre alten Problems könnten nun Flood, Erstautor Christopher Benson und ihr Team gefunden haben. „Wir haben eine ganz neue Klasse von Materialien entdeckt, die wir Small-Molecule Ionic Isolation Lattices (SMILES) nennen“, berichten sie. Diese Kristallgitter bestehen aus einem Gerüst von großen, farblosen Ringmolekülen, den sogenannten Cyanostars, in die die klassischen Fluoreszenz-Farbstoffe eingebettet sind.
Der Clou dabei: Die ringförmigen Gerüstmoleküle halten die mit ihnen verbundenen Farbstoff-Moleküle nicht nur räumlich auf Abstand, durch ihre elektrochemischen Eigenschaften wirken sie auch als Isolatoren. „Wie wir herausgefunden haben, ist diese elektrische Isolation der Farbstoffe das entscheidende, bislang fehlende Element, um das 150-Jahre alte Problem des Emissions-Quenchings zu lösen“, erklären die Forscher.
Einfaches Zusammenmischen
Die Herstellung der neuen SMILES-Kristalle ist einfach: Man benötigt nur einen gängigen, kationischen Fluoreszenz-Farbstoff und mischt ihn mit einer Lösung von Cyanostar-Ringmolekülen. In einem ersten Test nutzten die Wissenschaftler dafür den Farbstoff Rhodamin-3B-Perchlorat, der auch für Farbstofflaser verwendet wird. Bei Kristallisation der Mischlösung zu einem SMILES-Material entstand ein Feststoff, in dem die Farbstoffe durch die Ringmoleküle effektiv voneinander isoliert werden.
Der so hergestellte Kristall fluoreszierte dadurch so intensiv wie der flüssige Ausgangsfarbstoff. Die Emissionsausbeute der Kristalle lag nach Angaben der Forscher bei 29 Prozent – zehnfach höher als bei einem reinen Farbstoffkristall ohne die Cyanostars. Auch Dünnfilme mit einer so hohen Fluoreszenz ließen sich aus diesem Gemisch herstellen. Ergänzende Versuche belegten, dass das Prinzip mit Farbstoffen aus mehreren großen Klassen kommerzieller Fluoreszenzmittel funktioniert.
SMILES-Materialien sind „Plug and Play“
„SMILES-Kristalle haben die bislang höchste Helligkeit pro Volumeneinheit – und sie verleihen diese Fähigkeit ganz normalen kommerziellen Farbstoffen“, sagen die Wissenschaftler. Für die hohe Lichtausbeute müssen die Mittel weder vorher umgewandelt noch gereinigt oder anderweitig optimiert werden. „Diese Materialien sind sozusagen ‚Plug and Play'“, erklären sie.
Ein weiterer Vorteil sei die hohe Farbtreue bei der Umwandlung des flüssigen Farbstoffs zum Feststoff: Versucht man, das grünleuchtende Cyanin in einen Dünnfilm zu bringen, verändert sich seine Fluoreszenz durch die Molekül-Wechselwirkungen von grün nach orange. „Setzt man jedoch Cyanostar zu und macht dann einen SMILES-Dünnfilm daraus, bleibt die ursprüngliche grüne Farbe erhalten“, berichten Benson und seine Kollegen.
Viele Anwendungen denkbar
Nach Ansicht der Forscher eröffnet diese neue Klasse der Fluoreszenz-Feststoffe eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten. „Sie können für jede Technologie eingesetzt werden, die helle Fluoreszenz benötigt oder spezielle optische Eigenschaften, darunter Bio-Imaging, Farbstoff-Laser oder die Solarenergie“, sagt Flood. Auch neuartige 3D-Displays, per Licht schaltbare Bauteile oder photochromatisches Glas könnten mit SMILES optimiert werden.
In ihren Tests haben die Wissenschaftler ihre SMILES-Kristalle bereits erfolgreich in verschiedene gängige Kunststoffe integriert und damit fluoreszierende Plastikobjekte geschaffen. Als nächstes wollen sie die Eigenschaften der verschiedenen SMILES-Materialien näher erforschen. „Diese Materialien sind völlig neu, daher wissen wir noch nicht genau, wo ihre Grenzen liegen und welche ihrer Eigenschaften und Varianten die beste Funktionalität bieten“, betont Flood. (Chem, 2020; doi: 10.1016/j.chempr.2020.06.029)
Quelle: Cell Press
