На основе процесса, называемого стойкой люминесценцией, светящиеся в темноте материалы работают путем медленного высвобождения энергии, поглощенной окружающим светом. Коммерческие светящиеся в темноте материалы, используемые в часах и знаках экстренной помощи, основаны на неорганических соединениях и включают редкие металлы, такие как европий и диспрозий. Однако эти материалы дороги, требуют высоких температур для производства и рассеивают свет — а не являются прозрачными — при измельчении в порошки для красок.
Органические материалы на основе углерода, подобные тем, которые используются в пластмассах и пигментах, могут преодолеть многие из этих недостатков. Они могут быть отличными излучателями и уже широко используются в органических светодиодах (OLED).
Но добиться долгоживущего излучения было сложно, и самое продолжительное излучение органических веществ при внутреннем освещении при комнатной температуре до сих пор составляло всего несколько минут.Исследователи из Центра исследований органической фотоники и электроники (OPERA) Университета Кюсю преодолели этот предел, используя простые смеси двух подходящих молекул. В пленках, образованных путем плавления молекул, которые отдают электроны, и молекул, принимающих электроны, впервые было продемонстрировано излучение, продолжающееся более часа, из органических материалов без необходимости в источниках интенсивного света или низких температурах.
«Многие органические материалы могут использовать энергию, поглощенную из света, для излучения света другого цвета, но это излучение обычно происходит быстро, потому что энергия накапливается непосредственно в молекуле, которая производит излучение», — говорит Риота Кабе, ведущий автор статьи, сообщающей об этом. новые находки.«Напротив, наши смеси хранят энергию в электрических зарядах, разделенных на большее расстояние. Этот дополнительный шаг позволяет нам значительно замедлить выделение энергии в виде света, тем самым достигая эффекта свечения в темноте».В смесях поглощение света электронно-акцепторной молекулой или акцептором дает молекуле дополнительную энергию, которую она может использовать для удаления электрона из электронодонорной молекулы или донора.
Этот перенос электрона фактически аналогичен передаче положительного заряда от акцептора к донору.Дополнительный электрон на акцепторе может затем перескочить на другие акцепторы и уйти от положительно заряженного донора, что приведет к разделению зарядов.
Разделенные заряды постепенно собираются вместе — некоторые медленно, а некоторые быстрее — и высвобождают свою энергию в виде света в течение почти часа.Смеси и процессы аналогичны тем, что используются в органических солнечных элементах и органических светодиодах. После накопления отдельных зарядов, как в солнечном элементе, зарядам некуда деться, поэтому они в конечном итоге возвращаются вместе, чтобы излучать свет, как OLED.
Ключевое отличие недавно разработанных смесей состоит в том, что заряды могут существовать в разделенном состоянии в течение очень длительных периодов времени.«Благодаря органике у нас есть прекрасная возможность снизить стоимость светящихся в темноте материалов, поэтому в первую очередь мы ожидаем увидеть воздействие на большие площади, такие как светящиеся коридоры или дороги для дополнительной безопасности», говорит Чихая Адачи, директор OPERA.«После этого мы можем начать думать об использовании универсальности органических материалов для разработки светящихся в темноте тканей и окон или даже биосовместимых зондов для медицинской визуализации».Первой проблемой на пути к практическому использованию является чувствительность процесса к кислороду и воде.
Защитные барьеры уже используются в органической электронике и неорганических светящихся в темноте материалах, поэтому исследователи уверены, что решение можно найти. Параллельно с этим они также изучают новые молекулярные структуры для увеличения продолжительности излучения и эффективности, а также для изменения цвета.
В настоящее время прилагаются усилия для решения этих остающихся проблем, и новая волна светящихся в темноте материалов на основе органических веществ, похоже, оживит эту область и расширит возможности их применения.