Nową klasę wysoce luminescencyjnych kompleksów glinoorganicznych opracowali naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN i Politechniki Warszawskiej. Będą mogły znaleźć zastosowanie np. w urządzeniach optoelektronicznych.
Materiały luminescencyjne oparte na kompleksach metali są szeroko stosowane w urządzeniach emitujących światło, od czujników optycznych po wyświetlacze i bioobrazowanie. Rosnące zapotrzebowanie na sztuczne światło przyspieszyło rozwój badań nad tymi materiałami, zwanymi też luminoforami. W ostatnich latach dużym zainteresowaniem cieszą się luminofory oparte na kompleksach metali z grupy głównej pierwiastków układu okresowego. Zaletą ich stosowania 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.
Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN i 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, 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.
Badania fotofizyczne, w tym szczegółowa charakterystyka spektroskopowa związków, wykazały, że antranilany na bazie glinu wykazują wydajność kwantową fotoluminescencji sięgającą 100% w stanie stałym, co jest możliwe dzięki ich unikalnej strukturze elektronowej i oddziaływaniom niekowalencyjnym w sieci krystalicznej, które stabilizują stany wzbudzone. 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, która osiąga maksimum wydajności kwantowej fotoluminescencji w fazie skondensowanej, co jest bezprecedensowe dla kompleksów glinu – zauważa dr Iwona Justyniak.
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.
– To krok milowy 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 – twierdzi Vadim Szejko z IChF PAN.
Wyniki badań opublikowało czasopismo „Angewandte Chemie”.
Magdalena Osial, źródło: IChF PAN