07. März 2024 (Nanowerk-Scheinwerfer) Auf der Suche nach nachhaltigen und multifunktionalen Materialien hat sich Holz aufgrund seiner einzigartigen Kombination aus Festigkeit, Haltbarkeit und Erneuerbarkeit als erstklassiger Kandidat herausgestellt. Doch trotz seiner vielen wünschenswerten Eigenschaften wurde Holz lange Zeit durch seine Undurchsichtigkeit behindert, was seine potenziellen Anwendungen in Bereichen wie energieeffizienten Gebäuden, Solarzellen und lichtemittierenden Geräten einschränkte. Um diese Einschränkung zu überwinden, haben Forscher verschiedene Strategien entwickelt, um Holz transparent zu machen und gleichzeitig seine mechanische Integrität zu bewahren. Dabei handelt es sich typischerweise um die Entfernung der lichtabsorbierenden Ligninkomponente und deren Ersatz durch eine transparente Polymermatrix. Während transparentes Holz an sich einen erheblichen Fortschritt darstellt, ist die Fähigkeit, es mit zusätzlichen Funktionalitäten wie Phosphoreszenz bei Raumtemperatur zu versehen, eine Herausforderung geblieben. Phosphoreszenz bei Raumtemperatur, also die Emission von Licht, die nach dem Entfernen der Anregungsquelle bestehen bleibt, hat zahlreiche potenzielle Anwendungen, darunter Notfallbeschilderung, fälschungssichere Etiketten und dekorative Beleuchtung. Bei den meisten Materialien, bei denen dieses Phänomen auftritt, handelt es sich jedoch um anorganische oder metallorganische Verbindungen, die teuer, giftig und schwierig zu verarbeiten sein können. Organische Verbindungen hingegen leiden häufig unter einer schwachen Emission und kurzen Lebensdauern aufgrund ineffizienter Intersystemkreuzung und strahlungsloser Zerfallswege. Um diese Einschränkungen zu beseitigen, haben Forscher verschiedene Strategien zur Verbesserung der Phosphoreszenz organischer Materialien bei Raumtemperatur untersucht, beispielsweise Kristall-Engineering, Wirt-Gast-Komplexierung und Polymermatrix-Einkapselung. Obwohl diese Ansätze vielversprechende Ergebnisse erbracht haben, erfordern sie häufig eine komplexe Synthese, eine präzise Kontrolle der molekularen Anordnung oder die Verwendung teurer und seltener Metallionen. Darüber hinaus ist die Integration dieser phosphoreszierenden Materialien in praktische, großtechnische Anwendungen nach wie vor eine große Herausforderung. Jüngste Fortschritte auf dem Gebiet der Organische Elektronik haben neue Einblicke in das Design und die Synthese effizienter und stabiler organischer Leuchtstoffe geliefert. Insbesondere die Verwendung starrer, π-konjugierter Strukturen mit Schweratomen oder Carbonylgruppen steigert nachweislich die Intersystemkreuzung und verringert den strahlungslosen Zerfall. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass der Einbau dieser Leuchtstoffe in Polymermatrizen mit hohen Glasübergangstemperaturen und geringer Sauerstoffdurchlässigkeit ihre Stabilität und Leistung unter Umgebungsbedingungen verbessert. Aufbauend auf diesen Entwicklungen hat ein Forscherteam der Beijing Forestry University und der South China University of Technology nun einen bedeutenden Schritt nach vorne gemacht, indem es erfolgreich organische Leuchtstoffe in transparentes Holz integriert hat und so eine neue Klasse nachhaltiger, multifunktionaler Materialien mit einstellbarer und langlebiger Wirkung geschaffen hat Phosphoreszenz bei Raumtemperatur. Ihr innovativer Ansatz, der die kovalente Bindung von Arylboronsäuren an die Zellulosefasern und die Polyvinylalkoholmatrix innerhalb der Holzstruktur beinhaltet, überwindet nicht nur die Einschränkungen bisheriger organischer Leuchtstoffe, sondern nutzt auch die einzigartigen Eigenschaften von Holz, um die optische und mechanische Leistung von Holz zu verbessern das resultierende Material.
Schematische Darstellung des bei Raumtemperatur phosphoreszierenden transparenten Holzes (PTW). a) Herstellung der PTWs und chemischen Strukturen verschiedener Arylboronsäuren. b) Fotos von mehrfarbigen intelligenten Nachleuchtfenstern, zeitverzögerten Lichtpaneelen mit weißem Nachleuchten und flexiblen bunten Verzögerungslichtpaneelen aus verschiedenen PTWs. (Nachdruck mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags) Die Forschung wurde veröffentlicht in Kleine Strukturen („Bunte Raumtemperatur-Phosphoreszenz inklusive weißem Nachleuchten aus mechanisch robustem, transparentem Holz für zeitverzögerte Beleuchtung“).
Der Schlüssel zum Erfolg dieses Ansatzes liegt in der Bildung kovalenter Bindungen zwischen den Boratomen der Arylboronsäuren und den Sauerstoffatomen der Polyvinylalkohol- und Cellulosefasern. Diese BO-Bindungen erfüllen zwei entscheidende Funktionen: Sie verankern die phosphoreszierenden Moleküle in der Holzstruktur und verhindern so, dass sie mit der Zeit auslaugen, und sie erzeugen ein starres und dichtes Netzwerk von Wasserstoffbrückenbindungen, das molekulare Bewegungen unterdrückt und die für die Phosphoreszenz verantwortlichen Triplett-Exzitonen stabilisiert. Durch die sorgfältige Auswahl von Arylboronsäuren mit unterschiedlichen π-konjugierten Strukturen wie Biphenyl, Phenanthren und Pyren konnten die Forscher die Farbe der Phosphoreszenz von Blau über Grün bis Rot mit Lebensdauern von 0.21 bis 2.13 Sekunden genau abstimmen.
Die mit dieser Methode hergestellten transparenten Holzproben zeigten bemerkenswerte optische und mechanische Eigenschaften. Die Transmissionswerte erreichten bis zu 90 %, was dem Material eine hohe Transparenz verleiht, während die Zugfestigkeiten bis zu 154 MPa erreichten und damit die der meisten Polymere und Kunststoffe weit übertrafen. Diese Kombination aus optischer Klarheit und mechanischer Robustheit ist ein bedeutender Durchbruch, da sie neue Möglichkeiten für den Einsatz von Holzwerkstoffen in Anwendungen eröffnet, die sowohl Transparenz als auch Festigkeit erfordern, wie etwa energieeffiziente Fenster, Solarzellen und flexible Displays.
Eine weitere beeindruckende Leistung dieser Arbeit war die Erzeugung von Weißlicht-Phosphoreszenz durch Dotieren einer blau emittierenden transparenten Holzprobe mit einer kleinen Menge des rot emittierenden Farbstoffs Rhodamin 6G. Durch einen als Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) bekannten Prozess übertrugen die Triplett-Exzitonen des Arylboronsäuredonors ihre Energie effizient auf den angeregten Singulettzustand des Rhodamin-6G-Akzeptors, was zu einer ausgewogenen Mischung aus blauer und roter Emission führte, die weiß erschien das Auge. Dieses weißes Licht emittierende transparente Holz hatte eine Phosphoreszenzlebensdauer von 1.85 Sekunden und eine Farbkoordinate, die der von normalem weißem Licht nahe kommt, was es besonders attraktiv für Anwendungen in der Festkörperbeleuchtung und in Displays macht.
Um das praktische Potenzial ihres phosphoreszierenden transparenten Holzes zu demonstrieren, stellten die Forscher mehrere Proof-of-Concept-Geräte her, darunter intelligente Fenster, die für Umgebungslicht sorgen könnten, nachdem sie tagsüber dem Sonnenlicht ausgesetzt waren, und zeitverzögerte Beleuchtungstafeln, die als Notfallschilder dienen könnten oder dekorative Elemente sowie fälschungssichere Etiketten, die versteckte Muster sichtbar machen, wenn die Anregungsquelle entfernt wird. Diese Demonstrationen verdeutlichen die Vielseitigkeit des Materials und sein Potenzial für die Integration in eine breite Palette von Produkten und Systemen, von Baumaterialien bis hin zu Konsumgütern.
Obwohl die Entwicklung von phosphoreszierendem transparentem Holz einen bedeutenden Meilenstein darstellt, müssen noch einige Herausforderungen bewältigt werden, um seine Leistung weiter zu verbessern und seine Anwendbarkeit zu erweitern. So könnten beispielsweise eine Verbesserung der Effizienz und Helligkeit der Phosphoreszenz, eine weitere Verlängerung der Lebensdauer sowie die Erweiterung der Palette an Emissionsfarben und Farbmischungsstrategien das Material für praktische Anwendungen noch attraktiver machen. Darüber hinaus müssen die Langzeitstabilität und Leistung des phosphoreszierenden transparenten Holzes unter verschiedenen Umgebungsbedingungen wie hoher Luftfeuchtigkeit, extremen Temperaturen und UV-Einwirkung sorgfältig bewertet werden, um seine Haltbarkeit und Zuverlässigkeit sicherzustellen.
Trotz dieser Herausforderungen zeigt die Arbeit des Teams der Beijing Forestry University und der South China University of Technology das enorme Potenzial von Holzwerkstoffen, um der wachsenden Nachfrage nach nachhaltigen, leistungsstarken und multifunktionalen Technologien gerecht zu werden. Durch die Kombination der inhärenten Vorteile von Holz mit fortschrittlichen chemischen und physikalischen Funktionalitäten ebnen Forscher den Weg für eine neue Generation intelligenter, umweltfreundlicher und vielseitiger Materialien, die die Art und Weise, wie wir leben, arbeiten und kommunizieren, verändern könnten.
Da die Forschung auf diesem Gebiet weiter voranschreitet, können wir in naher Zukunft mit noch weiteren spannenden Entwicklungen rechnen. Die Integration von phosphoreszierendem transparentem Holz mit anderen neuen Technologien wie Solarzellen, Sensoren und elektronischen Geräten könnte zur Schaffung wirklich multifunktionaler, energieeffizienter und intelligenter Materialien führen, die die Grenzen zwischen Natur und Technologie verwischen. Die potenziellen Auswirkungen dieser Innovationen auf Bereiche von Architektur und Transport bis hin zu Gesundheitswesen und Unterhaltung sind immens, und es ist klar, dass Holz, ein Material, das von der Menschheit seit Jahrtausenden verwendet wird, immer noch viele Überraschungen für uns bereithält.
Die Entwicklung von phosphoreszierendem transparentem Holz stellt einen bedeutenden Durchbruch im Bereich nachhaltiger und multifunktionaler Materialien dar. Durch die Nutzung der einzigartigen Eigenschaften von Holz und deren Integration mit fortschrittlichen optischen Funktionalitäten haben Forscher eine neue Klasse von Materialien geschaffen, die das Beste aus beiden Welten vereint: die Stärke, Haltbarkeit und Nachhaltigkeit von Holz mit der Transparenz, Phosphoreszenz und Einstellbarkeit von organischem Material Leuchtstoffe.
Obwohl noch Herausforderungen zu bewältigen sind, sind die potenziellen Anwendungen dieser Technologie umfangreich und spannend und reichen von energieeffizienten Gebäuden und intelligenten Fenstern bis hin zu flexiblen Displays und fälschungssicheren Etiketten.
Schematische Darstellung des bei Raumtemperatur phosphoreszierenden transparenten Holzes (PTW). a) Herstellung der PTWs und chemischen Strukturen verschiedener Arylboronsäuren. b) Fotos von mehrfarbigen intelligenten Nachleuchtfenstern, zeitverzögerten Lichtpaneelen mit weißem Nachleuchten und flexiblen bunten Verzögerungslichtpaneelen aus verschiedenen PTWs. (Nachdruck mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags) Die Forschung wurde veröffentlicht in Kleine Strukturen („Bunte Raumtemperatur-Phosphoreszenz inklusive weißem Nachleuchten aus mechanisch robustem, transparentem Holz für zeitverzögerte Beleuchtung“).
Der Schlüssel zum Erfolg dieses Ansatzes liegt in der Bildung kovalenter Bindungen zwischen den Boratomen der Arylboronsäuren und den Sauerstoffatomen der Polyvinylalkohol- und Cellulosefasern. Diese BO-Bindungen erfüllen zwei entscheidende Funktionen: Sie verankern die phosphoreszierenden Moleküle in der Holzstruktur und verhindern so, dass sie mit der Zeit auslaugen, und sie erzeugen ein starres und dichtes Netzwerk von Wasserstoffbrückenbindungen, das molekulare Bewegungen unterdrückt und die für die Phosphoreszenz verantwortlichen Triplett-Exzitonen stabilisiert. Durch die sorgfältige Auswahl von Arylboronsäuren mit unterschiedlichen π-konjugierten Strukturen wie Biphenyl, Phenanthren und Pyren konnten die Forscher die Farbe der Phosphoreszenz von Blau über Grün bis Rot mit Lebensdauern von 0.21 bis 2.13 Sekunden genau abstimmen.
Die mit dieser Methode hergestellten transparenten Holzproben zeigten bemerkenswerte optische und mechanische Eigenschaften. Die Transmissionswerte erreichten bis zu 90 %, was dem Material eine hohe Transparenz verleiht, während die Zugfestigkeiten bis zu 154 MPa erreichten und damit die der meisten Polymere und Kunststoffe weit übertrafen. Diese Kombination aus optischer Klarheit und mechanischer Robustheit ist ein bedeutender Durchbruch, da sie neue Möglichkeiten für den Einsatz von Holzwerkstoffen in Anwendungen eröffnet, die sowohl Transparenz als auch Festigkeit erfordern, wie etwa energieeffiziente Fenster, Solarzellen und flexible Displays.
Eine weitere beeindruckende Leistung dieser Arbeit war die Erzeugung von Weißlicht-Phosphoreszenz durch Dotieren einer blau emittierenden transparenten Holzprobe mit einer kleinen Menge des rot emittierenden Farbstoffs Rhodamin 6G. Durch einen als Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) bekannten Prozess übertrugen die Triplett-Exzitonen des Arylboronsäuredonors ihre Energie effizient auf den angeregten Singulettzustand des Rhodamin-6G-Akzeptors, was zu einer ausgewogenen Mischung aus blauer und roter Emission führte, die weiß erschien das Auge. Dieses weißes Licht emittierende transparente Holz hatte eine Phosphoreszenzlebensdauer von 1.85 Sekunden und eine Farbkoordinate, die der von normalem weißem Licht nahe kommt, was es besonders attraktiv für Anwendungen in der Festkörperbeleuchtung und in Displays macht.
Um das praktische Potenzial ihres phosphoreszierenden transparenten Holzes zu demonstrieren, stellten die Forscher mehrere Proof-of-Concept-Geräte her, darunter intelligente Fenster, die für Umgebungslicht sorgen könnten, nachdem sie tagsüber dem Sonnenlicht ausgesetzt waren, und zeitverzögerte Beleuchtungstafeln, die als Notfallschilder dienen könnten oder dekorative Elemente sowie fälschungssichere Etiketten, die versteckte Muster sichtbar machen, wenn die Anregungsquelle entfernt wird. Diese Demonstrationen verdeutlichen die Vielseitigkeit des Materials und sein Potenzial für die Integration in eine breite Palette von Produkten und Systemen, von Baumaterialien bis hin zu Konsumgütern.
Obwohl die Entwicklung von phosphoreszierendem transparentem Holz einen bedeutenden Meilenstein darstellt, müssen noch einige Herausforderungen bewältigt werden, um seine Leistung weiter zu verbessern und seine Anwendbarkeit zu erweitern. So könnten beispielsweise eine Verbesserung der Effizienz und Helligkeit der Phosphoreszenz, eine weitere Verlängerung der Lebensdauer sowie die Erweiterung der Palette an Emissionsfarben und Farbmischungsstrategien das Material für praktische Anwendungen noch attraktiver machen. Darüber hinaus müssen die Langzeitstabilität und Leistung des phosphoreszierenden transparenten Holzes unter verschiedenen Umgebungsbedingungen wie hoher Luftfeuchtigkeit, extremen Temperaturen und UV-Einwirkung sorgfältig bewertet werden, um seine Haltbarkeit und Zuverlässigkeit sicherzustellen.
Trotz dieser Herausforderungen zeigt die Arbeit des Teams der Beijing Forestry University und der South China University of Technology das enorme Potenzial von Holzwerkstoffen, um der wachsenden Nachfrage nach nachhaltigen, leistungsstarken und multifunktionalen Technologien gerecht zu werden. Durch die Kombination der inhärenten Vorteile von Holz mit fortschrittlichen chemischen und physikalischen Funktionalitäten ebnen Forscher den Weg für eine neue Generation intelligenter, umweltfreundlicher und vielseitiger Materialien, die die Art und Weise, wie wir leben, arbeiten und kommunizieren, verändern könnten.
Da die Forschung auf diesem Gebiet weiter voranschreitet, können wir in naher Zukunft mit noch weiteren spannenden Entwicklungen rechnen. Die Integration von phosphoreszierendem transparentem Holz mit anderen neuen Technologien wie Solarzellen, Sensoren und elektronischen Geräten könnte zur Schaffung wirklich multifunktionaler, energieeffizienter und intelligenter Materialien führen, die die Grenzen zwischen Natur und Technologie verwischen. Die potenziellen Auswirkungen dieser Innovationen auf Bereiche von Architektur und Transport bis hin zu Gesundheitswesen und Unterhaltung sind immens, und es ist klar, dass Holz, ein Material, das von der Menschheit seit Jahrtausenden verwendet wird, immer noch viele Überraschungen für uns bereithält.
Die Entwicklung von phosphoreszierendem transparentem Holz stellt einen bedeutenden Durchbruch im Bereich nachhaltiger und multifunktionaler Materialien dar. Durch die Nutzung der einzigartigen Eigenschaften von Holz und deren Integration mit fortschrittlichen optischen Funktionalitäten haben Forscher eine neue Klasse von Materialien geschaffen, die das Beste aus beiden Welten vereint: die Stärke, Haltbarkeit und Nachhaltigkeit von Holz mit der Transparenz, Phosphoreszenz und Einstellbarkeit von organischem Material Leuchtstoffe.
Obwohl noch Herausforderungen zu bewältigen sind, sind die potenziellen Anwendungen dieser Technologie umfangreich und spannend und reichen von energieeffizienten Gebäuden und intelligenten Fenstern bis hin zu flexiblen Displays und fälschungssicheren Etiketten.
– Michael ist Autor von drei Büchern der Royal Society of Chemistry:
Nano-Gesellschaft: Grenzen der Technologie überschreiten,
Nanotechnologie: Die Zukunft ist winzig und
Nanoengineering: Die Fähigkeiten und Werkzeuge, die Technologie unsichtbar machen
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