Forschung & Entwicklung

Leuchtende Nanotinten

Aggregatsstrukturen im Nanobereich aus molekularen Kupfer-Iod-Cluster-Verbindungen leuchten im UV-Licht intensiv und mehrfarbig. Sie eignen sich als lumineszierende Tinten für im normalen Licht unsichtbare Farbauftragungen und als Beschichtung, um die Farbe von Leuchtdioden zu verändern.

Lumineszierende Substanzen senden durch Anregung mit Energie – chemischer, elektrischer oder UV-Strahlung – Licht aus, das wir oft als brillante Farben wahrnehmen. Lange Zeit galt die Ansicht, dass Aggregation, also die unkontrollierte Zusammenlagerung von Molekülen, schlecht für die Lumineszenzausbeute ist. Erst 2001 beobachteten Wissenschaftler zum ersten Mal, dass Aggregation umgekehrt auch Lumineszenz auslösen kann. Seitdem wuchs die Forschung an dem Phänomen der aggregationsinduzierten Emission (AIE) rasant. Einer der Hauptgründe: Lumineszierende Beschichtungen oder Tinten enthalten in der Praxis eigentlich immer Pigmente, die in irgendeiner Form aggregiert vorliegen.

Wie man solche AIE-Verbindungen kontrolliert, einfach, preiswert und im größeren Maßstab herstellen kann, dafür interessierten sich Hong-Bin Yao an der University of Science and Technology of China in Hefei und sein Team. Sie stießen auf eine stabile Clusterverbindung aus Kupfer und Iod, die in Verbindung mit Phosphanliganden in einem typischen AIE-Verhalten ein stark lumineszierendes Aggregat bildet.

Um die AIE-Substanz herzustellen, müssen die Wissenschaftler die Substanz zunächst in eine lösliche, molekulare Form bringen und dann die Moleküle kontrolliert in nichtlösliche Nanostrukturen aggregieren lassen. Dies gelang den Autoren durch eine Sequenz aus Emulgieren und Demulgieren. Sie schüttelten den nicht lumineszierenden Komplex, der in einem organischen Lösungsmittel gelöst war, mit einem Tensid in wässriger Lösung aus, bis die Tröpfchen so klein waren, dass sich dort AIE-aktive Nanoaggregate gebildet hatten.

Diese Methode hat einen weiteren Vorteil: Durch Austauschen der chemischen Komponenten im Komplex kann man die Lumineszenzfarben ändern. Mit stickstoffhaltigen Liganden anstelle des ursprünglichen Phosphanliganden erzeugten die Autoren eine Sequenz von brillant orange bis blau lumineszierenden Tinten. Die Wissenschaftler schufen mit ihren wasserbasierten Tinten in orange, gelb und himmelblau aus einer Schwarzweißzeichnung ein Aquarell einer Unterwasserlandschaft – sichtbar nur unter UV-Licht.

Nicht nur zum Malen, sondern auch als Farbbeschichtung für Leuchtdioden eignen sich die Aggregate. Weißes LED-Licht ist allgemein schwierig zu erzeugen. Die Forscher beschichteten blaue LEDs mit dem gelb lumineszierenden Kupfer-Iod-Hybrid und erhielten weißes LED-Licht. Für die Praxis müssen aber wohl noch Anpassungen vorgenommen werden. Die Lichtausbeute ist noch zu klein.

Originalveröffentlichung:

[C. Chen et al., Highly Luminescent Inks: Aggregation‐Induced Emission of Copper–Iodine Hybrid Clusters, Angew. Chem. (2018) DOI: 10.1002/ange.201802932]

von mn

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