다채롭고 오래 지속되는 상온 인광성을 지닌 투명 목재로 새로운 응용 가능

07년 2024월 XNUMX일(나노 워크 스포트라이트) 지속 가능하고 다기능적인 재료를 찾는 과정에서 목재는 강도, 내구성 및 재생 가능성의 독특한 조합으로 인해 주요 후보로 부상했습니다. 그러나 많은 바람직한 특성에도 불구하고 목재는 불투명성으로 인해 오랫동안 방해를 받아 에너지 효율적인 건물, 태양 전지 및 발광 장치와 같은 분야에서의 잠재적 응용이 제한되었습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 연구자들은 기계적 완전성을 유지하면서 목재를 투명하게 만드는 다양한 전략을 개발했습니다. 이 과정에는 일반적으로 빛을 흡수하는 리그닌 성분을 제거하고 이를 투명한 폴리머 매트릭스로 교체하는 과정이 포함됩니다. 투명한 목재 자체는 상당한 발전을 의미하지만 실온 인광과 같은 추가 기능을 목재에 부여하는 능력은 여전히 과제로 남아 있습니다. 여기원이 제거된 후에도 지속되는 빛의 방출인 상온 인광은 비상 표지판, 위조 방지 라벨 및 장식 조명을 포함하여 수많은 잠재적 응용 분야를 가지고 있습니다. 그러나 이러한 현상을 나타내는 대부분의 재료는 무기 또는 유기 금속 화합물이므로 가격이 비싸고 독성이 있으며 가공이 어려울 수 있습니다. 반면, 유기 화합물은 비효율적인 시스템 간 교차 및 비방사성 붕괴 경로로 인해 방출이 약하고 수명이 짧은 경우가 많습니다. 이러한 한계를 해결하기 위한 노력의 일환으로 연구자들은 결정 공학, 호스트-게스트 복합체화 및 폴리머 매트릭스 캡슐화와 같은 유기 물질의 실온 인광을 향상시키기 위한 다양한 전략을 탐구했습니다. 이러한 접근법은 유망한 결과를 얻었지만 복잡한 합성, 분자 배열에 대한 정밀한 제어 또는 값비싼 희귀 금속 이온의 사용이 필요한 경우가 많습니다. 더욱이, 이러한 인광 재료를 실제적인 대규모 응용 분야에 통합하는 것은 여전히 중요한 과제로 남아 있습니다. 최근 분야의 발전 유기 전자 효율적이고 안정적인 유기 형광체의 설계 및 합성에 대한 새로운 통찰력을 제공했습니다. 특히, 중원자 또는 카르보닐기가 있는 견고한 π-공액 구조를 사용하면 시스템 간 교차를 향상시키고 비방사성 붕괴를 줄이는 것으로 나타났습니다. 또한, 높은 유리 전이 온도와 낮은 산소 투과성을 갖는 폴리머 매트릭스에 이러한 형광체를 통합하면 주변 조건에서 안정성과 성능이 향상되는 것으로 밝혀졌습니다. 이러한 개발을 바탕으로 북경임업대학교와 남중국공과대학교 연구진은 이제 유기 인광체를 투명 목재에 성공적으로 통합하여 조정 가능하고 수명이 긴 지속 가능한 다기능 재료의 새로운 클래스를 만들어 중요한 진전을 이루었습니다. 상온 인광. 목재 구조 내 셀룰로오스 섬유와 폴리비닐 알코올 매트릭스에 아릴보론산을 공유결합시키는 이들의 혁신적인 접근 방식은 이전 유기 인광체의 한계를 극복했을 뿐만 아니라 목재의 고유한 특성을 활용하여 광학적, 기계적 성능을 향상시켰습니다. 결과 자료. 상온 인광투명목재의 모식도

상온 인광 투명 목재(PTW)의 개략도. a) 다양한 아릴보론산의 PTW 및 화학 구조 준비. b) 다색 스마트 잔광창, 백색 잔광을 갖는 시간 지연 조명 패널, 다양한 PTW로 제작된 유연한 컬러풀 지연 조명 패널의 사진. (Wiley-VCH Verlag의 허가를 받아 재인쇄됨) 이 연구는 소형 구조물 (“시간 지연 조명을 위한 기계적으로 견고한 투명 목재의 흰색 잔광을 포함한 다채로운 상온 인광”). 이 접근법의 성공의 열쇠는 아릴보론산의 붕소 원자와 폴리비닐 알코올 및 셀룰로오스 섬유의 산소 원자 사이의 공유 결합 형성에 있습니다. 이러한 BO 결합은 두 가지 중요한 기능을 수행합니다. 인광성 분자를 목재 구조에 고정하여 시간이 지남에 따라 침출되는 것을 방지하고, 분자 운동을 억제하고 인광을 담당하는 삼중항 엑시톤을 안정화시키는 견고하고 조밀한 수소 결합 네트워크를 생성합니다. 비페닐, 페난트렌, 피렌과 같은 서로 다른 π-공액 구조를 가진 아릴보론산을 신중하게 선택함으로써 연구원들은 인광 색상을 파란색에서 녹색, 빨간색으로 미세 조정할 수 있었고 수명은 0.21~2.13초에 이릅니다. 이 방법을 사용하여 생산된 투명 목재 샘플은 놀라운 광학적, 기계적 특성을 나타냈습니다. 투과율 값은 최대 90%에 달해 재료의 투명도가 매우 높았으며, 인장 강도는 최대 154MPa에 달해 대부분의 폴리머 및 플라스틱의 강도를 훨씬 능가했습니다. 광학적 선명도와 기계적 견고성의 결합은 에너지 효율적인 창문, 태양전지, 플렉서블 디스플레이와 같이 투명성과 강도를 모두 요구하는 응용 분야에 목재 기반 재료를 사용할 수 있는 새로운 가능성을 열어주기 때문에 획기적인 발전입니다. 이 연구의 또 다른 인상적인 성과는 청색을 방출하는 투명 목재 샘플에 소량의 적색 방출 염료인 로다민 6G를 도핑하여 백색광 인광을 생성한 것입니다. Förster 공명 에너지 전달(FRET)으로 알려진 과정을 통해 아릴보론산 공여체의 삼중항 여기자는 자신의 에너지를 로다민 6G 수용체의 단일항 여기 상태로 효율적으로 전달하여 파란색과 빨간색 방출의 균형 잡힌 혼합이 흰색에서 나타나는 결과로 나타납니다. 눈. 이 백색 발광 투명 목재는 인광 수명이 1.85초이고 색좌표가 표준 백색광에 가깝기 때문에 고체 조명 및 디스플레이 응용 분야에 특히 매력적입니다. 인광 투명 목재의 실용적인 잠재력을 입증하기 위해 연구원들은 낮 동안 햇빛에 노출된 후 주변 조명을 제공할 수 있는 스마트 창문, 비상 신호 역할을 할 수 있는 시간 지연 조명 패널을 포함하여 여러 개념 증명 장치를 제작했습니다. 또는 장식 요소, 여기 소스가 제거될 때 숨겨진 패턴을 드러내는 위조 방지 라벨 등이 있습니다. 이러한 시연에서는 재료의 다양성과 건축 자재부터 소비재에 이르기까지 광범위한 제품 및 시스템에 통합될 수 있는 잠재력이 강조됩니다. 인광투명목재의 개발은 중요한 이정표를 의미하지만 성능을 더욱 향상시키고 적용 가능성을 넓히기 위해서는 여전히 해결해야 할 몇 가지 과제가 있습니다. 예를 들어, 인광의 효율과 휘도를 향상시키고, 수명을 더욱 연장하며, 발광 색상 및 색상 혼합 전략의 범위를 확장하면 이 소재를 실제 응용 분야에서 더욱 매력적으로 만들 수 있습니다. 또한 높은 습도, 극한 온도, UV 노출 등 다양한 환경 조건에서 인광투명목재의 장기적인 안정성과 성능을 면밀히 평가하여 내구성과 신뢰성을 보장해야 합니다. 이러한 어려움에도 불구하고 베이징 임업 대학과 남중국 공과 대학 팀의 작업은 지속 가능한 고성능 다기능 기술에 대한 수요 증가를 해결할 수 있는 목재 기반 재료의 엄청난 잠재력을 보여줍니다. 연구자들은 목재의 고유한 장점과 고급 화학적 및 물리적 기능을 결합하여 우리가 생활하고 일하고 의사소통하는 방식을 변화시킬 수 있는 차세대 스마트하고 친환경적이며 다재다능한 소재를 위한 길을 닦고 있습니다. 이 분야의 연구가 계속 진행됨에 따라 가까운 시일 내에 훨씬 더 흥미로운 발전을 볼 수 있을 것으로 기대됩니다. 인광성 투명 목재를 태양전지, 센서, 전자 장치 등 다른 신기술과 통합하면 자연과 기술 사이의 경계를 모호하게 만드는 진정한 다기능, 에너지 효율적, 지능형 소재를 만들 수 있습니다. 건축, 교통, 의료, 엔터테인먼트에 이르는 분야에 대한 이러한 혁신의 잠재적 영향은 엄청나며, 수천 년 동안 인류가 사용해 온 재료인 목재가 여전히 우리에게 많은 놀라움을 안겨주고 있다는 것은 분명합니다. 인광 투명 목재의 개발은 지속 가능하고 다기능적인 재료 분야에서 획기적인 발전을 의미합니다. 연구자들은 목재의 고유한 특성을 활용하고 이를 고급 광학 기능과 통합함으로써 목재의 강도, 내구성 및 지속 가능성과 유기물의 투명성, 인광 및 조정 가능성이라는 두 가지 장점을 결합한 새로운 종류의 재료를 만들었습니다. 형광체. 아직 해결해야 할 과제가 남아 있지만 에너지 효율적인 건물과 스마트 윈도우부터 유연한 디스플레이와 위조 방지 라벨에 이르기까지 이 기술의 잠재적인 응용 분야는 광범위하고 흥미진진합니다.

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마이클
버거