07 maart 2024 (Nanowerk-schijnwerper) In de zoektocht naar duurzame en multifunctionele materialen is hout naar voren gekomen als een uitstekende kandidaat vanwege de unieke combinatie van sterkte, duurzaamheid en hernieuwbaarheid. Ondanks de vele wenselijke eigenschappen wordt hout echter lange tijd gehinderd door zijn ondoorzichtigheid, waardoor de potentiële toepassingen ervan op gebieden als energie-efficiënte gebouwen, zonnecellen en lichtgevende apparaten worden beperkt. Om deze beperking te overwinnen hebben onderzoekers verschillende strategieën ontwikkeld om hout transparant te maken met behoud van de mechanische integriteit ervan, een proces waarbij doorgaans de lichtabsorberende ligninecomponent wordt verwijderd en vervangen door een transparante polymeermatrix. Hoewel transparant hout zelf een aanzienlijke vooruitgang betekent, blijft het vermogen om het te voorzien van extra functionaliteiten, zoals fosforescentie bij kamertemperatuur, een uitdaging. Fosforescentie bij kamertemperatuur, de emissie van licht die aanhoudt nadat de excitatiebron is verwijderd, heeft talloze potentiële toepassingen, waaronder noodsignalering, labels tegen namaak en decoratieve verlichting. De meeste materialen die dit fenomeen vertonen zijn echter anorganische of organometaalverbindingen, die duur, giftig en moeilijk te verwerken kunnen zijn. Organische verbindingen daarentegen hebben vaak te lijden onder een zwakke emissie en een korte levensduur als gevolg van inefficiënte kruisingen tussen systemen en niet-stralingsvervalroutes. In een poging om deze beperkingen aan te pakken, hebben onderzoekers verschillende strategieën onderzocht om de fosforescentie van organische materialen bij kamertemperatuur te verbeteren, zoals kristaltechniek, gastheer-gastcomplexatie en inkapseling van polymeermatrixen. Hoewel deze benaderingen veelbelovende resultaten hebben opgeleverd, vereisen ze vaak een complexe synthese, nauwkeurige controle over de moleculaire rangschikking of het gebruik van dure en zeldzame metaalionen. Bovendien is de integratie van deze fosforescerende materialen in praktische, grootschalige toepassingen een aanzienlijke uitdaging gebleven. Recente ontwikkelingen op het gebied van organische elektronica hebben nieuwe inzichten opgeleverd in het ontwerp en de synthese van efficiënte en stabiele organische fosforen. In het bijzonder is aangetoond dat het gebruik van stijve, π-geconjugeerde structuren met zware atomen of carbonylgroepen de kruising tussen systemen verbetert en niet-stralingsverval vermindert. Bovendien is gevonden dat de opname van deze fosforen in polymeermatrices met hoge glasovergangstemperaturen en lage zuurstofpermeabiliteit hun stabiliteit en prestatie onder omgevingsomstandigheden verbetert. Voortbouwend op deze ontwikkelingen heeft een team van onderzoekers van de Beijing Forestry University en de South China University of Technology nu een belangrijke stap voorwaarts gezet door met succes organische fosforen in transparant hout te integreren, waardoor een nieuwe klasse duurzame, multifunctionele materialen is ontstaan met afstembare, langlevende materialen. fosforescentie bij kamertemperatuur. Hun innovatieve aanpak, die de covalente binding van arylboorzuren aan de cellulosevezels en de polyvinylalcoholmatrix in de houtstructuur omvat, overwint niet alleen de beperkingen van eerdere organische fosforen, maar maakt ook gebruik van de unieke eigenschappen van hout om de optische en mechanische prestaties van hout te verbeteren. het resulterende materiaal.
Schematische weergave van het fosforescentie-transparante hout op kamertemperatuur (PTW). a) Bereiding van de PTW's en chemische structuren van verschillende arylboorzuren. b) Foto's van veelkleurige slimme nagloeiramen, tijdvertragingsverlichtingspanelen met witte nagloei, en flexibele kleurrijke vertragingsverlichtingspanelen gemaakt van verschillende PTW's. (Herdrukt met toestemming van Wiley-VCH Verlag) Het onderzoek is gepubliceerd in Kleine structuren (“Kleurrijke fosforescentie op kamertemperatuur, inclusief witte nagloeiing van mechanisch robuust transparant hout voor vertraagde verlichting”).
De sleutel tot het succes van deze aanpak ligt in de vorming van covalente bindingen tussen de booratomen van de arylboorzuren en de zuurstofatomen van de polyvinylalcohol en cellulosevezels. Deze BO-bindingen vervullen twee cruciale functies: ze verankeren de fosforescerende moleculen aan de houtstructuur, waardoor ze na verloop van tijd niet uitlogen, en ze creëren een stijf en dicht netwerk van waterstofbruggen dat moleculaire bewegingen onderdrukt en de triplet-excitonen stabiliseert die verantwoordelijk zijn voor fosforescentie. Door zorgvuldig arylboorzuren met verschillende π-geconjugeerde structuren te selecteren, zoals bifenyl, fenantreen en pyreen, konden de onderzoekers de kleur van de fosforescentie verfijnen van blauw naar groen naar rood, met een levensduur variërend van 0.21 tot 2.13 seconden.
De transparante houtmonsters die met deze methode werden geproduceerd, vertoonden opmerkelijke optische en mechanische eigenschappen. De transmissiewaarden bereikten tot 90%, waardoor het materiaal zeer transparant was, terwijl de treksterktes tot 154 MPa reikten, wat die van de meeste polymeren en kunststoffen ver overtreft. Deze combinatie van optische helderheid en mechanische robuustheid is een belangrijke doorbraak, omdat het nieuwe mogelijkheden opent voor het gebruik van op hout gebaseerde materialen in toepassingen die zowel transparantie als sterkte vereisen, zoals energiezuinige ramen, zonnecellen en flexibele displays.
Een andere indrukwekkende prestatie van dit werk was het genereren van witlichtfosforescentie door een blauw uitstralend transparant houtmonster te doteren met een kleine hoeveelheid van de rood uitstralende kleurstof rhodamine 6G. Via een proces dat bekend staat als Förster-resonantie-energieoverdracht (FRET) brachten de triplet-excitonen van de arylboronzuurdonor hun energie efficiënt over naar de singlet-aangeslagen toestand van de rhodamine 6G-acceptor, wat resulteerde in een uitgebalanceerd mengsel van blauwe en rode emissie dat er wit uitzag. het oog. Dit wit licht uitstralende transparante hout had een fosforescentielevensduur van 1.85 seconden en een kleurcoördinaat die dicht bij die van standaard wit licht ligt, waardoor het bijzonder aantrekkelijk is voor toepassingen in solid-state verlichting en displays.
Om het praktische potentieel van hun fosforescerend transparant hout aan te tonen, vervaardigden de onderzoekers verschillende proof-of-concept-apparaten, waaronder slimme ramen die voor omgevingsverlichting konden zorgen nadat ze overdag aan zonlicht waren blootgesteld, verlichtingspanelen met tijdvertraging die als noodsignalen konden dienen. of decoratieve elementen, en anti-namaaklabels die verborgen patronen onthullen wanneer de opwindingsbron wordt verwijderd. Deze demonstraties benadrukken de veelzijdigheid van het materiaal en zijn potentieel om te worden geïntegreerd in een breed scala aan producten en systemen, van bouwmaterialen tot consumptiegoederen.
Hoewel de ontwikkeling van fosforescerend transparant hout een belangrijke mijlpaal is, zijn er nog steeds enkele uitdagingen die moeten worden aangepakt om de prestaties ervan verder te verbeteren en de toepasbaarheid ervan te verbreden. Het verbeteren van de efficiëntie en helderheid van de fosforescentie, het nog verder verlengen van de levensduur en het uitbreiden van het bereik van emissiekleuren en kleurmengstrategieën zouden het materiaal bijvoorbeeld nog aantrekkelijker kunnen maken voor praktische toepassingen. Bovendien moeten de stabiliteit en prestaties op lange termijn van het fosforescerende transparante hout onder verschillende omgevingsomstandigheden, zoals hoge luchtvochtigheid, extreme temperaturen en UV-blootstelling, zorgvuldig worden geëvalueerd om de duurzaamheid en betrouwbaarheid ervan te garanderen.
Ondanks deze uitdagingen toont het werk van het team van de Beijing Forestry University en de South China University of Technology het enorme potentieel aan van op hout gebaseerde materialen om tegemoet te komen aan de groeiende vraag naar duurzame, hoogwaardige en multifunctionele technologieën. Door de inherente voordelen van hout te combineren met geavanceerde chemische en fysische functionaliteiten, maken onderzoekers de weg vrij voor een nieuwe generatie slimme, milieuvriendelijke en veelzijdige materialen die de manier waarop we leven, werken en communiceren kunnen transformeren.
Naarmate het onderzoek op dit gebied zich blijft ontwikkelen, kunnen we in de nabije toekomst nog meer opwindende ontwikkelingen verwachten. De integratie van fosforescerend transparant hout met andere opkomende technologieën, zoals zonnecellen, sensoren en elektronische apparaten, zou kunnen leiden tot de creatie van werkelijk multifunctionele, energie-efficiënte en intelligente materialen die de grenzen tussen natuur en technologie doen vervagen. De potentiële impact van deze innovaties op gebieden variërend van architectuur en transport tot gezondheidszorg en entertainment is enorm, en het is duidelijk dat hout, een materiaal dat al duizenden jaren door de mensheid wordt gebruikt, nog steeds veel verrassingen voor ons in petto heeft.
De ontwikkeling van fosforescerend transparant hout betekent een belangrijke doorbraak op het gebied van duurzame en multifunctionele materialen. Door gebruik te maken van de unieke eigenschappen van hout en deze te integreren met geavanceerde optische functionaliteiten, hebben onderzoekers een nieuwe klasse materialen gecreëerd die het beste van twee werelden combineert: de sterkte, duurzaamheid en duurzaamheid van hout met de transparantie, fosforescentie en afstembaarheid van organische materialen. fosforen.
Hoewel er nog steeds uitdagingen zijn die moeten worden aangepakt, zijn de potentiële toepassingen van deze technologie enorm en opwindend, variërend van energiezuinige gebouwen en slimme ramen tot flexibele displays en anti-namaaklabels.
Schematische weergave van het fosforescentie-transparante hout op kamertemperatuur (PTW). a) Bereiding van de PTW's en chemische structuren van verschillende arylboorzuren. b) Foto's van veelkleurige slimme nagloeiramen, tijdvertragingsverlichtingspanelen met witte nagloei, en flexibele kleurrijke vertragingsverlichtingspanelen gemaakt van verschillende PTW's. (Herdrukt met toestemming van Wiley-VCH Verlag) Het onderzoek is gepubliceerd in Kleine structuren (“Kleurrijke fosforescentie op kamertemperatuur, inclusief witte nagloeiing van mechanisch robuust transparant hout voor vertraagde verlichting”).
De sleutel tot het succes van deze aanpak ligt in de vorming van covalente bindingen tussen de booratomen van de arylboorzuren en de zuurstofatomen van de polyvinylalcohol en cellulosevezels. Deze BO-bindingen vervullen twee cruciale functies: ze verankeren de fosforescerende moleculen aan de houtstructuur, waardoor ze na verloop van tijd niet uitlogen, en ze creëren een stijf en dicht netwerk van waterstofbruggen dat moleculaire bewegingen onderdrukt en de triplet-excitonen stabiliseert die verantwoordelijk zijn voor fosforescentie. Door zorgvuldig arylboorzuren met verschillende π-geconjugeerde structuren te selecteren, zoals bifenyl, fenantreen en pyreen, konden de onderzoekers de kleur van de fosforescentie verfijnen van blauw naar groen naar rood, met een levensduur variërend van 0.21 tot 2.13 seconden.
De transparante houtmonsters die met deze methode werden geproduceerd, vertoonden opmerkelijke optische en mechanische eigenschappen. De transmissiewaarden bereikten tot 90%, waardoor het materiaal zeer transparant was, terwijl de treksterktes tot 154 MPa reikten, wat die van de meeste polymeren en kunststoffen ver overtreft. Deze combinatie van optische helderheid en mechanische robuustheid is een belangrijke doorbraak, omdat het nieuwe mogelijkheden opent voor het gebruik van op hout gebaseerde materialen in toepassingen die zowel transparantie als sterkte vereisen, zoals energiezuinige ramen, zonnecellen en flexibele displays.
Een andere indrukwekkende prestatie van dit werk was het genereren van witlichtfosforescentie door een blauw uitstralend transparant houtmonster te doteren met een kleine hoeveelheid van de rood uitstralende kleurstof rhodamine 6G. Via een proces dat bekend staat als Förster-resonantie-energieoverdracht (FRET) brachten de triplet-excitonen van de arylboronzuurdonor hun energie efficiënt over naar de singlet-aangeslagen toestand van de rhodamine 6G-acceptor, wat resulteerde in een uitgebalanceerd mengsel van blauwe en rode emissie dat er wit uitzag. het oog. Dit wit licht uitstralende transparante hout had een fosforescentielevensduur van 1.85 seconden en een kleurcoördinaat die dicht bij die van standaard wit licht ligt, waardoor het bijzonder aantrekkelijk is voor toepassingen in solid-state verlichting en displays.
Om het praktische potentieel van hun fosforescerend transparant hout aan te tonen, vervaardigden de onderzoekers verschillende proof-of-concept-apparaten, waaronder slimme ramen die voor omgevingsverlichting konden zorgen nadat ze overdag aan zonlicht waren blootgesteld, verlichtingspanelen met tijdvertraging die als noodsignalen konden dienen. of decoratieve elementen, en anti-namaaklabels die verborgen patronen onthullen wanneer de opwindingsbron wordt verwijderd. Deze demonstraties benadrukken de veelzijdigheid van het materiaal en zijn potentieel om te worden geïntegreerd in een breed scala aan producten en systemen, van bouwmaterialen tot consumptiegoederen.
Hoewel de ontwikkeling van fosforescerend transparant hout een belangrijke mijlpaal is, zijn er nog steeds enkele uitdagingen die moeten worden aangepakt om de prestaties ervan verder te verbeteren en de toepasbaarheid ervan te verbreden. Het verbeteren van de efficiëntie en helderheid van de fosforescentie, het nog verder verlengen van de levensduur en het uitbreiden van het bereik van emissiekleuren en kleurmengstrategieën zouden het materiaal bijvoorbeeld nog aantrekkelijker kunnen maken voor praktische toepassingen. Bovendien moeten de stabiliteit en prestaties op lange termijn van het fosforescerende transparante hout onder verschillende omgevingsomstandigheden, zoals hoge luchtvochtigheid, extreme temperaturen en UV-blootstelling, zorgvuldig worden geëvalueerd om de duurzaamheid en betrouwbaarheid ervan te garanderen.
Ondanks deze uitdagingen toont het werk van het team van de Beijing Forestry University en de South China University of Technology het enorme potentieel aan van op hout gebaseerde materialen om tegemoet te komen aan de groeiende vraag naar duurzame, hoogwaardige en multifunctionele technologieën. Door de inherente voordelen van hout te combineren met geavanceerde chemische en fysische functionaliteiten, maken onderzoekers de weg vrij voor een nieuwe generatie slimme, milieuvriendelijke en veelzijdige materialen die de manier waarop we leven, werken en communiceren kunnen transformeren.
Naarmate het onderzoek op dit gebied zich blijft ontwikkelen, kunnen we in de nabije toekomst nog meer opwindende ontwikkelingen verwachten. De integratie van fosforescerend transparant hout met andere opkomende technologieën, zoals zonnecellen, sensoren en elektronische apparaten, zou kunnen leiden tot de creatie van werkelijk multifunctionele, energie-efficiënte en intelligente materialen die de grenzen tussen natuur en technologie doen vervagen. De potentiële impact van deze innovaties op gebieden variërend van architectuur en transport tot gezondheidszorg en entertainment is enorm, en het is duidelijk dat hout, een materiaal dat al duizenden jaren door de mensheid wordt gebruikt, nog steeds veel verrassingen voor ons in petto heeft.
De ontwikkeling van fosforescerend transparant hout betekent een belangrijke doorbraak op het gebied van duurzame en multifunctionele materialen. Door gebruik te maken van de unieke eigenschappen van hout en deze te integreren met geavanceerde optische functionaliteiten, hebben onderzoekers een nieuwe klasse materialen gecreëerd die het beste van twee werelden combineert: de sterkte, duurzaamheid en duurzaamheid van hout met de transparantie, fosforescentie en afstembaarheid van organische materialen. fosforen.
Hoewel er nog steeds uitdagingen zijn die moeten worden aangepakt, zijn de potentiële toepassingen van deze technologie enorm en opwindend, variërend van energiezuinige gebouwen en slimme ramen tot flexibele displays en anti-namaaklabels.
– Michael is auteur van drie boeken van de Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: de grenzen van technologie verleggen,
Nanotechnologie: de toekomst is klein en
Nanoengineering: de vaardigheden en tools die technologie onzichtbaar maken
Copyright ©
Nanowerk LLC
Word een Spotlight-gastauteur! Sluit je aan bij onze grote en groeiende groep gastbijdragers. Heb je net een wetenschappelijk artikel gepubliceerd of heb je andere opwindende ontwikkelingen om te delen met de nanotechnologie-gemeenschap? Hier leest u hoe u op nanowerk.com publiceert.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64810.php
