カラフルで長期持続する室温での蓄光を備えた透明な木材が新たな用途を可能にする

07 年 2024 月 XNUMX 日 (Nanowerkスポットライト) 持続可能で多機能な材料の探求において、強度、耐久性、再生可能性のユニークな組み合わせにより、木材が主要な候補として浮上しました。しかし、木材には多くの望ましい特性があるにもかかわらず、その不透明性によって長い間妨げられており、エネルギー効率の高い建物、太陽電池、発光デバイスなどの分野での潜在的な用途が制限されてきました。この限界を克服するために、研究者らは、木材の機械的完全性を維持しながら木材を透明にするためのさまざまな戦略を開発しました。このプロセスには、通常、光を吸収するリグニン成分を除去し、透明なポリマーマトリックスで置き換えることが含まれます。透明な木材自体は大きな進歩を示していますが、室温での蓄光などの追加の機能を透明な木材に注入する能力は依然として課題です。励起源が取り除かれた後も持続する光の放射である室温の燐光には、緊急標識、偽造防止ラベル、装飾照明など、数多くの潜在的な用途があります。ただし、この現象を示すほとんどの材料は無機または有機金属化合物であり、高価で毒性があり、加工が難しい場合があります。一方、有機化合物は、非効率的な項間交差と非放射減衰経路により、弱い発光と短い寿命に悩まされることがよくあります。これらの限界に対処するために、研究者らは、結晶工学、ホストゲスト複合体形成、ポリマーマトリックスカプセル化など、有機材料の室温での燐光を増強するためのさまざまな戦略を模索してきました。これらのアプローチは有望な結果をもたらしていますが、多くの場合、複雑な合成、分子配列の正確な制御、または高価で希少な金属イオンの使用が必要です。さらに、これらの燐光材料を実際の大規模用途に組み込むことは依然として大きな課題である。分野における最近の進歩有機エレクトロニクス彼らは、効率的で安定した有機蛍光体の設計と合成について新たな洞察を提供しました。特に、重原子またはカルボニル基を有する剛直なπ共役構造を使用すると、項間交差が強化され、非放射減衰が減少することが示されています。さらに、ガラス転移温度が高く、酸素透過性が低いポリマーマトリックスにこれらの蛍光体を組み込むと、周囲条件下での安定性と性能が向上することがわかっています。これらの開発に基づいて、北京林業大学と華南理工大学の研究チームは、有機蛍光体を透明な木材に組み込むことに成功し、調整可能で長寿命の新しいクラスの持続可能で多機能な材料を作成することで、重要な一歩を踏み出しました。室温での燐光。木材構造内のセルロース繊維およびポリビニルアルコールマトリックスへのアリールボロン酸の共有結合を含む革新的なアプローチは、以前の有機蛍光体の限界を克服するだけでなく、木材の独特の特性を活用して光学的および機械的性能を向上させます。得られた材料。常温蓄光透明木材の模式図

常温蓄光透明木材（PTW）の模式図。 a) PTW の調製とさまざまなアリールボロン酸の化学構造。 b) 多色のスマート残光ウィンドウ、白い残光を持つ時間遅延照明パネル、およびさまざまな PTW で作られた柔軟でカラフルな遅延照明パネルの写真。 (Wiley-VCH Verlag の許可を得て転載) この研究は、 小さな構造物 (「機械的に堅牢な透明木材による白色残光を含むカラフルな室温蓄光による時間遅延照明」). このアプローチの成功の鍵は、アリールボロン酸のホウ素原子とポリビニルアルコールおよびセルロース繊維の酸素原子との間の共有結合の形成にあります。これらの BO 結合は 2 つの重要な機能を果たします。1 つはリン光分子を木材の構造に固定し、時間の経過とともにリン光分子が浸出するのを防ぎます。もう 1 つは、分子の運動を抑制し、リン光の原因となる三重項励起子を安定化する、強固で緻密な水素結合のネットワークを作成します。ビフェニル、フェナントレン、ピレンなど、異なるπ共役構造を持つアリールボロン酸を慎重に選択することで、研究者らは、0.21秒から2.13秒の範囲の寿命で、青から緑、赤まで燐光の色を微調整することができました。この方法を使用して製造された透明な木材サンプルは、顕著な光学的および機械的特性を示しました。透過率値は最大 90% に達し、材料の透明性が高く、引張強度は最大 154 MPa に達し、ほとんどのポリマーやプラスチックの強度をはるかに上回っています。光学的な透明性と機械的堅牢性のこの組み合わせは、エネルギー効率の高い窓、太陽電池、フレキシブルディスプレイなど、透明性と強度の両方を必要とする用途での木材ベースの材料の使用に新たな可能性を開くため、大きな進歩です。この研究のもう 6 つの印象的な成果は、青色発光透明木材サンプルに少量の赤色発光染料ローダミン XNUMXG をドープすることによって白色光燐光を生成したことです。フェルスター共鳴エネルギー移動 (FRET) として知られるプロセスを通じて、アリールボロン酸ドナーの三重項励起子は、そのエネルギーをローダミン 6G アクセプターの一重項励起状態に効率的に移動させ、その結果、青色と赤色の発光のバランスの取れた混合が生じ、白色に見えました。目。この白色発光透明木材は、燐光寿命が 1.85 秒で、色座標が標準の白色光に近いため、固体照明やディスプレイの用途に特に魅力的でした。蓄光性透明木材の実用的な可能性を実証するために、研究者らは、日中に太陽光にさらされた後に周囲照明を提供できるスマートウィンドウや、緊急標識として機能する時間遅延照明パネルなど、いくつかの概念実証デバイスを製作した。装飾的な要素や、励起源を取り除くと隠されたパターンが現れる偽造防止ラベル。これらのデモンストレーションは、この材料の多用途性と、建材から消費財まで幅広い製品やシステムに統合できる可能性を強調しています。蓄光性透明木材の開発は重要なマイルストーンですが、その性能をさらに向上させ、適用範囲を広げるためには、取り組む必要のある課題がまだいくつかあります。たとえば、燐光の効率と輝度を改善し、寿命をさらに延長し、発光色の範囲と混色戦略を拡大することで、この材料は実用化にとってさらに魅力的なものになる可能性がある。さらに、耐久性と信頼性を確保するには、高湿度、極端な温度、紫外線暴露などのさまざまな環境条件下での蓄光透明木材の長期安定性と性能を慎重に評価する必要があります。こうした課題にもかかわらず、北京林業大学と華南理工大学のチームによる研究は、持続可能で高性能、多機能な技術に対する需要の高まりに応える木質材料の大きな可能性を実証している。木材本来の利点と高度な化学的および物理的機能を組み合わせることで、研究者たちは、私たちの生活、仕事、コミュニケーションの方法を変える可能性のある、スマートで環境に優しい、多用途の新世代の材料への道を切り開いています。この分野の研究は進歩を続けており、近い将来、さらにエキサイティングな開発が行われることが期待されます。蓄光性の透明な木材と、太陽電池、センサー、電子デバイスなどの他の新興テクノロジーを統合すると、自然とテクノロジーの境界を曖昧にする、真に多機能でエネルギー効率が高く、インテリジェントな素材の創造につながる可能性があります。これらのイノベーションが建築や交通機関からヘルスケアやエンターテインメントに至るまでの分野に与える潜在的な影響は計り知れず、人類が数千年にわたって使用してきた素材である木材には、まだ私たちにとって驚くべきことがたくさん待っていることは明らかです。蓄光性透明木材の開発は、持続可能で多機能な材料の分野における大きな進歩を表します。木材のユニークな特性を活用し、それらを高度な光学機能と統合することにより、研究者らは、木材の強度、耐久性、持続可能性と、有機材料の透明性、燐光性、調整可能性という両方の長所を組み合わせた新しいクラスの材料を作成しました。蛍光体。対処すべき課題はまだありますが、この技術の潜在的な用途は、エネルギー効率の高い建物やスマートウィンドウからフレキシブルディスプレイや偽造防止ラベルに至るまで、広大で刺激的です。

By

Michael Liebreich
バーガー