Experimento de química produce los materiales fluorescentes más brillantes jamás fabricados

Tienen potenciales aplicaciones en la recolección de energía solar, la obtención de imágenes biológicas y los láseres

El mundo tiene un nuevo material fluorescente muy brillante, y es el primero de su tipo. En lugar de tratar de mejorar las moléculas fluorescentes, un equipo de químicos ha desarrollado un nuevo material que preserva las propiedades ópticas de los tintes fluorescentes.

Esto previene efectivamente uno de los mayores problemas en la producción de materiales fluorescentes: la tendencia de los tintes fluorescentes a desvanecerse y cambiar de color cuando se convierte en un estado sólido a partir de un líquido. Y el trabajo no se hace solo por diversión.

"Estos materiales tienen potenciales aplicaciones en cualquier tecnología que necesite fluorescencia brillante o requiera diseñar propiedades ópticas, incluida la recolección de energía solar, la obtención de imágenes biológicas y los láseres", dijo el químico Amar Flood de la Universidad de Indiana.

"Más allá de estas, existen interesantes aplicaciones que incluyen la conversión ascendente de luz para capturar más del espectro solar en las células solares, materiales de luz conmutable utilizados para el almacenamiento de información y vidrio fotocrómico, y luminiscencia polarizada circularmente que se puede utilizar en la tecnología de visualización 3D".

Las moléculas fluorescentes absorben la luz y luego la vuelven a emitir a longitudes de onda más largas y de menor energía. Encontrados mucho más allá de los resaltadores que usaste para tus notas escolares, tienen muchas aplicaciones prácticas, desde biomarcadores fluorescentes en la investigación celular hasta tecnología de pantalla OLED.

Sin embargo, de más de 100.000 colorantes fluorescentes desarrollados hasta la fecha, casi ninguno se puede mezclar de manera predecible y confiable; crear materiales fluorescentes sólidos es igualmente desafiante. Cuando los tintes se convierten en sólidos, tienden a sufrir un enfriamiento (atenuación del brillo), sus colores cambian y su eficiencia cuántica se degrada.

No es que los químicos no entiendan por qué sucede esto. Es un fenómeno bien conocido llamado acoplamiento de excitones. Cuando los colorantes se convierten en un sólido, se empaquetan muy juntos, lo que hace que se acoplen.

Los cambios ópticos que surgen de este acoplamiento son difíciles de predecir, pero es seguro decir que la transferencia confiable de las propiedades ópticas de un líquido fluorescente a un sólido es muy difícil de hacer.

"El problema del enfriamiento y el acoplamiento entre tintes surge cuando los tintes se colocan hombro con hombro dentro de los sólidos", dijo Flood. "No pueden evitar 'tocarse' entre sí. Al igual que los niños pequeños que se sientan a la hora del cuento, interfieren entre sí y dejan de comportarse como individuos".

Entonces, el equipo desarrolló una solución al problema basada en mantener separadas las moléculas fluorescentes. Tomaron una solución incolora de moléculas de macrociclo llamadas cianostars y las mezclaron con el tinte fluorescente.

Este uso de macrociclos, una gran clase de moléculas en forma de anillo, no es una idea nueva, y otros lo han intentado antes. Pero la gran diferencia es que estos primeros intentos utilizaron macrociclos de colores.

A medida que su nueva solución se secó, formó lo que el equipo llamó redes de aislamiento iónico de molécula pequeña (SMILES) que efectivamente mantenían las moléculas de tinte compartimentadas entre sí, evitando que interactúen y conservando sus propiedades ópticas con alta fidelidad.

Imagen: (Izquierda) los objetos fluorescentes impresos en 3D bajo luz blanca versus (derecha) los objetos bajo luz ultravioleta

"Algunas personas piensan que los macrociclos incoloros no son atractivos, pero permitieron que la celosía de aislamiento expresara completamente la fluorescencia brillante de los tintes sin la carga de los colores de los macrociclos", dijo Flood.

Este material puede tomarse en varias direcciones. Se puede convertir en cristales; puede formar un polvo seco; o puede incorporarse directamente en polímeros. Los investigadores descubrieron que funcionaba perfectamente con varios tintes fluorescentes disponibles en el mercado que, según dijeron en su artículo, "marcan estos materiales como plug and play".

Esto significa que cualquier tinte fluorescente actualmente disponible debería funcionar con la solución de macrociclo del equipo para producir un material sólido maravillosamente brillante que preserva con precisión las propiedades del tinte líquido.

Pero aún queda trabajo por hacer antes de que lleguemos a ese punto. El primer paso fue desarrollar el material. Ahora el equipo tiene que estudiarlo.

"Estos materiales son totalmente nuevos, por lo que no sabemos cuáles de sus propiedades innatas realmente ofrecerán una funcionalidad superior", dijo Flood.

"Tampoco conocemos los límites de los materiales. Por lo tanto, desarrollaremos una comprensión fundamental de cómo funcionan, proporcionando un conjunto sólido de reglas de diseño para crear nuevas propiedades. Esto es fundamental para poner estos materiales en manos de otros; queremos buscar el crowdsourcing y trabajar con otros en este esfuerzo".

La investigación ha sido publicada en Cell Press: Plug-and-Play Optical Materials from Fluorescent Dyes and Macrocycles