Λογότυπο Zephyrnet

Το διαφανές ξύλο με πολύχρωμο και μακράς διαρκείας φωσφορισμό σε θερμοκρασία δωματίου επιτρέπει νέες εφαρμογές

Ημερομηνία:

07 Μαρτίου 2024 (Προβολέας Nanowerk) Στην αναζήτηση βιώσιμων και πολυλειτουργικών υλικών, το ξύλο έχει αναδειχθεί ως ο κύριος υποψήφιος λόγω του μοναδικού συνδυασμού αντοχής, ανθεκτικότητας και ανανεώσιμης ικανότητας. Ωστόσο, παρά τις πολλές επιθυμητές ιδιότητές του, το ξύλο εμποδίζεται από καιρό από την αδιαφάνειά του, περιορίζοντας τις πιθανές εφαρμογές του σε τομείς όπως τα ενεργειακά αποδοτικά κτίρια, τα ηλιακά κύτταρα και οι συσκευές εκπομπής φωτός. Για να ξεπεραστεί αυτός ο περιορισμός, οι ερευνητές έχουν αναπτύξει διάφορες στρατηγικές για να καταστήσουν το ξύλο διαφανές διατηρώντας παράλληλα τη μηχανική του ακεραιότητα, μια διαδικασία που συνήθως περιλαμβάνει την αφαίρεση του συστατικού λιγνίνης που απορροφά το φως και την αντικατάστασή του με μια διαφανή πολυμερή μήτρα. Ενώ το ίδιο το διαφανές ξύλο αντιπροσωπεύει μια σημαντική πρόοδο, η ικανότητα να το εμποτίζεις με πρόσθετες λειτουργίες, όπως ο φωσφορισμός σε θερμοκρασία δωματίου, παραμένει πρόκληση. Ο φωσφορισμός σε θερμοκρασία δωματίου, η εκπομπή φωτός που παραμένει μετά την αφαίρεση της πηγής διέγερσης, έχει πολλές πιθανές εφαρμογές, όπως η σήμανση έκτακτης ανάγκης, οι ετικέτες κατά της παραχάραξης και ο διακοσμητικός φωτισμός. Ωστόσο, τα περισσότερα υλικά που παρουσιάζουν αυτό το φαινόμενο είναι ανόργανες ή οργανομεταλλικές ενώσεις, οι οποίες μπορεί να είναι ακριβές, τοξικές και δύσκολες στην επεξεργασία. Οι οργανικές ενώσεις, από την άλλη πλευρά, συχνά υποφέρουν από ασθενή εκπομπή και μικρή διάρκεια ζωής λόγω της αναποτελεσματικής διασταύρωσης μεταξύ των συστημάτων και των μονοπατιών αποσύνθεσης χωρίς ακτινοβολία. Σε μια προσπάθεια να αντιμετωπίσουν αυτούς τους περιορισμούς, οι ερευνητές έχουν εξερευνήσει διάφορες στρατηγικές για την ενίσχυση του φωσφορισμού σε θερμοκρασία δωματίου των οργανικών υλικών, όπως η κρυσταλλική μηχανική, η συμπλοκοποίηση ξενιστή-επισκέπτη και η ενθυλάκωση πολυμερούς μήτρας. Ενώ αυτές οι προσεγγίσεις έχουν δώσει πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα, συχνά απαιτούν πολύπλοκη σύνθεση, ακριβή έλεγχο της μοριακής διάταξης ή τη χρήση ακριβών και σπάνιων ιόντων μετάλλων. Επιπλέον, η ενσωμάτωση αυτών των φωσφοριζόντων υλικών σε πρακτικές εφαρμογές μεγάλης κλίμακας παραμένει μια σημαντική πρόκληση. Πρόσφατες εξελίξεις στον τομέα των οργανικά ηλεκτρονικά παρείχαν νέες γνώσεις για το σχεδιασμό και τη σύνθεση αποτελεσματικών και σταθερών οργανικών φωσφόρων. Συγκεκριμένα, η χρήση άκαμπτων, π-συζευγμένων δομών με βαριά άτομα ή ομάδες καρβονυλίου έχει αποδειχθεί ότι ενισχύει τη διασταύρωση μεταξύ των συστημάτων και μειώνει τη διάσπαση χωρίς ακτινοβολία. Επιπλέον, η ενσωμάτωση αυτών των φωσφόρων σε πολυμερείς μήτρες με υψηλές θερμοκρασίες μετάπτωσης υάλου και χαμηλή διαπερατότητα οξυγόνου έχει βρεθεί ότι βελτιώνει τη σταθερότητα και την απόδοσή τους υπό συνθήκες περιβάλλοντος. Βασιζόμενη σε αυτές τις εξελίξεις, μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο Δασών του Πεκίνου και το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Νότιας Κίνας έχει κάνει τώρα ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός ενσωματώνοντας επιτυχώς οργανικούς φωσφόρους σε διαφανές ξύλο, δημιουργώντας μια νέα κατηγορία βιώσιμων, πολυλειτουργικών υλικών με ρυθμιζόμενα, μακράς διαρκείας φωσφορισμός σε θερμοκρασία δωματίου. Η καινοτόμος προσέγγισή τους, η οποία περιλαμβάνει την ομοιοπολική σύνδεση αρυλοβορονικών οξέων με τις ίνες κυτταρίνης και τη μήτρα πολυβινυλικής αλκοόλης εντός της δομής του ξύλου, όχι μόνο ξεπερνά τους περιορισμούς των προηγούμενων οργανικών φωσφόρων, αλλά επίσης αξιοποιεί τις μοναδικές ιδιότητες του ξύλου για να βελτιώσει την οπτική και μηχανική απόδοση του το υλικό που προκύπτει. Σχηματική απεικόνιση του διαφανούς ξύλου φωσφορισμού σε θερμοκρασία δωματίου Σχηματική απεικόνιση του διαφανούς ξύλου φωσφορισμού σε θερμοκρασία δωματίου (PTW). α) Παρασκευή των PTW και χημικών δομών διαφορετικών αρυλβορονικών οξέων. β) Φωτογραφίες από πολύχρωμα έξυπνα παράθυρα μετάλαμψης, πάνελ φωτισμού χρονικής καθυστέρησης με λευκή υστεροφημία και εύκαμπτα πολύχρωμα πάνελ φωτισμού καθυστέρησης κατασκευασμένα από διάφορα PTW. (Αναδημοσίευση με άδεια από την Wiley-VCH Verlag) Η έρευνα έχει δημοσιευθεί στο Μικρές Κατασκευές («Πολύχρωμος φωσφορισμός θερμοκρασίας δωματίου, συμπεριλαμβανομένης της λευκής λάμψης από μηχανικό στιβαρό διαφανές ξύλο για φωτισμό χρονικής καθυστέρησης»). Το κλειδί για την επιτυχία αυτής της προσέγγισης βρίσκεται στον σχηματισμό ομοιοπολικών δεσμών μεταξύ των ατόμων βορίου των αρυλοβορονικών οξέων και των ατόμων οξυγόνου της πολυβινυλικής αλκοόλης και των ινών κυτταρίνης. Αυτοί οι δεσμοί BO εξυπηρετούν δύο κρίσιμες λειτουργίες: αγκυρώνουν τα φωσφορίζοντα μόρια στη δομή του ξύλου, εμποδίζοντάς τα να ξεπλυθούν με την πάροδο του χρόνου και δημιουργούν ένα άκαμπτο και πυκνό δίκτυο δεσμών υδρογόνου που καταστέλλει τις μοριακές κινήσεις και σταθεροποιεί τα τριπλέτα εξιτόνια που είναι υπεύθυνα για τον φωσφορισμό. Επιλέγοντας προσεκτικά αρυλοβορονικά οξέα με διαφορετικές π-συζευγμένες δομές, όπως το διφαινύλιο, το φαινανθρένιο και το πυρένιο, οι ερευνητές μπόρεσαν να ρυθμίσουν το χρώμα του φωσφορισμού από μπλε σε πράσινο σε κόκκινο, με διάρκεια ζωής που κυμαίνεται από 0.21 έως 2.13 δευτερόλεπτα. Τα δείγματα διαφανούς ξύλου που παρήχθησαν με αυτή τη μέθοδο παρουσίασαν αξιοσημείωτες οπτικές και μηχανικές ιδιότητες. Οι τιμές διαπερατότητας έφτασαν έως και το 90%, καθιστώντας το υλικό εξαιρετικά διαφανές, ενώ οι αντοχές εφελκυσμού έφτασαν τα 154 MPa, ξεπερνώντας κατά πολύ αυτές των περισσότερων πολυμερών και πλαστικών. Αυτός ο συνδυασμός οπτικής διαύγειας και μηχανικής ευρωστίας είναι μια σημαντική ανακάλυψη, καθώς ανοίγει νέες δυνατότητες για τη χρήση υλικών με βάση το ξύλο σε εφαρμογές που απαιτούν διαφάνεια και αντοχή, όπως ενεργειακά αποδοτικά παράθυρα, ηλιακά κύτταρα και ευέλικτες οθόνες. Ένα άλλο εντυπωσιακό επίτευγμα αυτής της εργασίας ήταν η δημιουργία φωσφορισμού λευκού φωτός με ντόπινγκ ενός διαφανούς δείγματος ξύλου που εκπέμπει μπλε με μια μικρή ποσότητα της κόκκινης βαφής ροδαμίνης 6G. Μέσω μιας διαδικασίας γνωστής ως μεταφορά ενέργειας συντονισμού Förster (FRET), τα τριπλέτα εξιτόνια του δότη αρυλβορονικού οξέος μετέφεραν αποτελεσματικά την ενέργειά τους στη διεγερμένη κατάσταση μονής του δέκτη ροδαμίνης 6G, με αποτέλεσμα ένα ισορροπημένο μείγμα μπλε και κόκκινης εκπομπής που φαινόταν λευκό έως το μάτι. Αυτό το διαφανές ξύλο που εκπέμπει λευκό φως είχε διάρκεια ζωής φωσφορισμού 1.85 δευτερόλεπτα και χρωματική συντεταγμένη κοντά σε αυτή του τυπικού λευκού φωτός, καθιστώντας το ιδιαίτερα ελκυστικό για εφαρμογές σε φωτισμό στερεάς κατάστασης και οθόνες. Για να δείξουν τις πρακτικές δυνατότητες του φωσφορίζοντος διαφανούς ξύλου τους, οι ερευνητές κατασκεύασαν αρκετές συσκευές απόδειξης της ιδέας, όπως έξυπνα παράθυρα που θα μπορούσαν να παρέχουν φωτισμό περιβάλλοντος μετά την έκθεση στο ηλιακό φως κατά τη διάρκεια της ημέρας, πάνελ φωτισμού χρονικής καθυστέρησης που θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν ως σήματα έκτακτης ανάγκης ή διακοσμητικά στοιχεία και ετικέτες κατά της παραχάραξης που αποκαλύπτουν κρυμμένα σχέδια όταν αφαιρείται η πηγή διέγερσης. Αυτές οι επιδείξεις υπογραμμίζουν την ευελιξία του υλικού και τις δυνατότητές του να ενσωματωθεί σε ένα ευρύ φάσμα προϊόντων και συστημάτων, από δομικά υλικά έως καταναλωτικά αγαθά. Ενώ η ανάπτυξη του φωσφορίζοντος διαφανούς ξύλου αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό ορόσημο, εξακολουθούν να υπάρχουν ορισμένες προκλήσεις που πρέπει να αντιμετωπιστούν για να βελτιωθεί περαιτέρω η απόδοσή του και να διευρυνθεί η δυνατότητα εφαρμογής του. Για παράδειγμα, η βελτίωση της απόδοσης και της φωτεινότητας του φωσφορισμού, η επέκταση της διάρκειας ζωής ακόμη περισσότερο και η επέκταση του εύρους των χρωμάτων εκπομπής και των στρατηγικών ανάμειξης χρωμάτων θα μπορούσαν να κάνουν το υλικό ακόμα πιο ελκυστικό για πρακτικές εφαρμογές. Επιπλέον, η μακροπρόθεσμη σταθερότητα και η απόδοση του φωσφορίζοντος διαφανούς ξύλου υπό διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες, όπως υψηλή υγρασία, ακραίες θερμοκρασίες και έκθεση στην υπεριώδη ακτινοβολία, πρέπει να αξιολογηθούν προσεκτικά για να διασφαλιστεί η ανθεκτικότητα και η αξιοπιστία του. Παρά αυτές τις προκλήσεις, η εργασία της ομάδας του Πανεπιστημίου Δασών του Πεκίνου και του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου της Νότιας Κίνας καταδεικνύει τις τεράστιες δυνατότητες των υλικών με βάση το ξύλο για την αντιμετώπιση της αυξανόμενης ζήτησης για βιώσιμες, υψηλής απόδοσης και πολυλειτουργικές τεχνολογίες. Συνδυάζοντας τα εγγενή πλεονεκτήματα του ξύλου με προηγμένες χημικές και φυσικές λειτουργίες, οι ερευνητές ανοίγουν το δρόμο για μια νέα γενιά έξυπνων, φιλικών προς το περιβάλλον και ευέλικτων υλικών που θα μπορούσαν να μεταμορφώσουν τον τρόπο ζωής, εργασίας και επικοινωνίας. Καθώς η έρευνα σε αυτόν τον τομέα συνεχίζει να προοδεύει, μπορούμε να περιμένουμε να δούμε ακόμη πιο συναρπαστικές εξελίξεις στο εγγύς μέλλον. Η ενσωμάτωση του φωσφορίζοντος διαφανούς ξύλου με άλλες αναδυόμενες τεχνολογίες, όπως ηλιακά κύτταρα, αισθητήρες και ηλεκτρονικές συσκευές, θα μπορούσε να οδηγήσει στη δημιουργία πραγματικά πολυλειτουργικών, ενεργειακά αποδοτικών και έξυπνων υλικών που θολώνουν τα όρια μεταξύ φύσης και τεχνολογίας. Ο πιθανός αντίκτυπος αυτών των καινοτομιών σε τομείς που κυμαίνονται από την αρχιτεκτονική και τις μεταφορές έως την υγειονομική περίθαλψη και την ψυχαγωγία είναι τεράστιος και είναι σαφές ότι το ξύλο, ένα υλικό που χρησιμοποιείται από την ανθρωπότητα για χιλιετίες, μας επιφυλάσσει πολλές εκπλήξεις. Η ανάπτυξη του φωσφορίζοντος διαφανούς ξύλου αντιπροσωπεύει μια σημαντική ανακάλυψη στον τομέα των βιώσιμων και πολυλειτουργικών υλικών. Αξιοποιώντας τις μοναδικές ιδιότητες του ξύλου και ενσωματώνοντάς τες με προηγμένες οπτικές λειτουργίες, οι ερευνητές δημιούργησαν μια νέα κατηγορία υλικών που συνδυάζουν τα καλύτερα και των δύο κόσμων: τη δύναμη, την ανθεκτικότητα και τη βιωσιμότητα του ξύλου με τη διαφάνεια, τον φωσφορισμό και τη δυνατότητα συντονισμού των οργανικών φωσφόρους. Ενώ υπάρχουν ακόμη προκλήσεις που πρέπει να αντιμετωπιστούν, οι πιθανές εφαρμογές αυτής της τεχνολογίας είναι τεράστιες και συναρπαστικές, που κυμαίνονται από ενεργειακά αποδοτικά κτίρια και έξυπνα παράθυρα έως ευέλικτες οθόνες και ετικέτες κατά της παραχάραξης.


Μάικλ Μπέργκερ
By

Μιχαήλ
Berger



– Ο Michael είναι συγγραφέας τριών βιβλίων από τη Royal Society of Chemistry:
Νανο-κοινωνία: Προώθηση των ορίων της τεχνολογίας,
Νανοτεχνολογία: Το μέλλον είναι μικροσκοπικό, να
Νανομηχανική: Οι δεξιότητες και τα εργαλεία που καθιστούν την τεχνολογία αόρατη
Copyright ©


Nanowerk LLC

Γίνετε συγγραφέας προσκεκλημένων! Εγγραφείτε στη μεγάλη και αναπτυσσόμενη ομάδα μας συμμετέχοντες. Μόλις δημοσιεύσατε μια επιστημονική εργασία ή έχετε άλλες συναρπαστικές εξελίξεις για κοινή χρήση με την κοινότητα νανοτεχνολογίας; Δείτε πώς μπορείτε να δημοσιεύσετε στο nanowerk.com.

spot_img

Τελευταία Νοημοσύνη

spot_img