07 марта 2024 г. (Nanowerk В центре внимания) В поисках экологически чистых и многофункциональных материалов древесина стала главным кандидатом благодаря своему уникальному сочетанию прочности, долговечности и возможности возобновления. Однако, несмотря на множество желательных свойств, древесине уже давно препятствует ее непрозрачность, что ограничивает ее потенциальное применение в таких областях, как энергоэффективные здания, солнечные батареи и светоизлучающие устройства. Чтобы преодолеть это ограничение, исследователи разработали различные стратегии, позволяющие сделать древесину прозрачной, сохраняя при этом ее механическую целостность. Этот процесс обычно включает удаление светопоглощающего компонента лигнина и замену его прозрачной полимерной матрицей. Хотя прозрачная древесина сама по себе представляет собой значительный прогресс, возможность наделить ее дополнительными функциями, такими как фосфоресценция при комнатной температуре, остается проблемой. Фосфоресценция при комнатной температуре, излучение света, которое сохраняется после удаления источника возбуждения, имеет множество потенциальных применений, включая аварийные вывески, этикетки для защиты от подделок и декоративное освещение. Однако большинство материалов, демонстрирующих это явление, представляют собой неорганические или металлоорганические соединения, которые могут быть дорогими, токсичными и трудными в обработке. С другой стороны, органические соединения часто страдают от слабого излучения и короткого времени жизни из-за неэффективного межкомбинационного перехода и путей безызлучательного распада. Стремясь устранить эти ограничения, исследователи изучили различные стратегии усиления фосфоресценции органических материалов при комнатной температуре, такие как инженерия кристаллов, комплексообразование «хозяин-гость» и инкапсуляция полимерной матрицы. Хотя эти подходы дали многообещающие результаты, они часто требуют сложного синтеза, точного контроля над молекулярным расположением или использования ионов дорогих и редких металлов. Более того, интеграция этих фосфоресцирующих материалов в практические крупномасштабные приложения остается серьезной проблемой. Последние достижения в области органическая электроника предоставили новое представление о разработке и синтезе эффективных и стабильных органических люминофоров. В частности, было показано, что использование жестких π-сопряженных структур с тяжелыми атомами или карбонильными группами усиливает межкомбинационное пересечение и уменьшает безызлучательный распад. Кроме того, было обнаружено, что включение этих люминофоров в полимерные матрицы с высокими температурами стеклования и низкой проницаемостью для кислорода улучшает их стабильность и характеристики в условиях окружающей среды. Опираясь на эти разработки, группа исследователей из Пекинского университета лесного хозяйства и Южно-Китайского технологического университета сделала значительный шаг вперед, успешно интегрировав органические люминофоры в прозрачную древесину, создав новый класс экологически чистых, многофункциональных материалов с настраиваемыми и долговечными материалами. фосфоресценция при комнатной температуре. Их инновационный подход, который включает ковалентное связывание арилбороновых кислот с целлюлозными волокнами и матрицей поливинилового спирта в структуре древесины, не только преодолевает ограничения предыдущих органических люминофоров, но также использует уникальные свойства древесины для улучшения оптических и механических характеристик древесины. полученный материал.
Схематическая иллюстрация фосфоресценции прозрачной древесины при комнатной температуре (PTW). а) Получение ПТВ и химическая структура различных арилбороновых кислот. б) Фотографии многоцветных окон с умным послесвечением, панелей освещения с задержкой времени с белым послесвечением и гибких цветных панелей освещения с задержкой, изготовленных из различных PTW. (Перепечатано с разрешения Wiley-VCH Verlag) Исследование опубликовано в журнале Малые структуры («Красочная фосфоресценция при комнатной температуре, включая белое послесвечение от механически прочной прозрачной древесины для освещения с задержкой времени»).
Ключ к успеху этого подхода заключается в образовании ковалентных связей между атомами бора арилбороновых кислот и атомами кислорода поливинилового спирта и целлюлозных волокон. Эти связи BO выполняют две важные функции: они закрепляют фосфоресцирующие молекулы в структуре древесины, предотвращая их выщелачивание с течением времени, и создают жесткую и плотную сеть водородных связей, которая подавляет молекулярные движения и стабилизирует триплетные экситоны, ответственные за фосфоресценцию. Тщательно выбирая арилбороновые кислоты с различными π-сопряженными структурами, такие как бифенил, фенантрен и пирен, исследователи смогли точно настроить цвет фосфоресценции от синего до зеленого и красного со временем жизни в диапазоне от 0.21 до 2.13 секунды.
Прозрачные образцы древесины, полученные этим методом, продемонстрировали замечательные оптические и механические свойства. Значения коэффициента пропускания достигали 90%, что делало материал очень прозрачным, а предел прочности на разрыв достигал 154 МПа, что намного превосходит показатели большинства полимеров и пластиков. Такое сочетание оптической прозрачности и механической прочности является значительным прорывом, поскольку оно открывает новые возможности для использования материалов на основе древесины в приложениях, требующих как прозрачности, так и прочности, таких как энергоэффективные окна, солнечные элементы и гибкие дисплеи.
Еще одним впечатляющим достижением этой работы стала генерация фосфоресценции белого света путем легирования прозрачного образца древесины, излучающего синий свет, небольшим количеством красителя родамина 6G, излучающего красный свет. Посредством процесса, известного как резонансный перенос энергии Фёрстера (FRET), триплетные экситоны донора арилбороновой кислоты эффективно передавали свою энергию в синглетно-возбужденное состояние акцептора родамина 6G, в результате чего образовывалась сбалансированная смесь синего и красного излучения, которая казалась белой для глаз. Эта прозрачная древесина, излучающая белый свет, имела время фосфоресценции 1.85 секунды и цветовую координату, близкую к координате стандартного белого света, что делало ее особенно привлекательной для применения в твердотельном освещении и дисплеях.
Чтобы продемонстрировать практический потенциал своей фосфоресцирующей прозрачной древесины, исследователи изготовили несколько устройств для проверки концепции, в том числе «умные» окна, которые могут обеспечивать окружающее освещение после воздействия солнечного света в течение дня, осветительные панели с задержкой по времени, которые могут служить аварийными знаками. или декоративные элементы, а также этикетки для защиты от подделок, на которых видны скрытые узоры при удалении источника возбуждения. Эти демонстрации подчеркивают универсальность материала и его потенциал для интеграции в широкий спектр продуктов и систем, от строительных материалов до потребительских товаров.
Хотя разработка фосфоресцирующей прозрачной древесины представляет собой важную веху, все еще существуют некоторые проблемы, которые необходимо решить для дальнейшего улучшения ее характеристик и расширения ее применения. Например, повышение эффективности и яркости фосфоресценции, дальнейшее продление срока службы, а также расширение диапазона цветов излучения и стратегий смешивания цветов могут сделать материал еще более привлекательным для практического применения. Кроме того, необходимо тщательно оценить долговременную стабильность и характеристики фосфоресцирующей прозрачной древесины в различных условиях окружающей среды, таких как высокая влажность, экстремальные температуры и воздействие ультрафиолета, чтобы гарантировать ее долговечность и надежность.
Несмотря на эти проблемы, работа команды Пекинского университета лесного хозяйства и Южно-Китайского технологического университета демонстрирует огромный потенциал древесных материалов для удовлетворения растущего спроса на устойчивые, высокопроизводительные и многофункциональные технологии. Объединив присущие древесине преимущества с расширенными химическими и физическими функциональными возможностями, исследователи прокладывают путь к новому поколению умных, экологически чистых и универсальных материалов, которые могут изменить то, как мы живем, работаем и общаемся.
Поскольку исследования в этой области продолжают развиваться, мы можем ожидать еще более интересных событий в ближайшем будущем. Интеграция фосфоресцирующей прозрачной древесины с другими новыми технологиями, такими как солнечные элементы, датчики и электронные устройства, может привести к созданию действительно многофункциональных, энергоэффективных и интеллектуальных материалов, которые стирают границы между природой и технологиями. Потенциальное влияние этих инноваций на самые разные области, от архитектуры и транспорта до здравоохранения и развлечений, огромно, и ясно, что дерево, материал, который использовался человечеством на протяжении тысячелетий, все еще таит в себе множество сюрпризов.
Разработка фосфоресцирующей прозрачной древесины представляет собой значительный прорыв в области устойчивых и многофункциональных материалов. Используя уникальные свойства древесины и объединяя их с передовыми оптическими функциями, исследователи создали новый класс материалов, сочетающий в себе лучшее из обоих миров: прочность, долговечность и экологичность древесины с прозрачностью, фосфоресценцией и возможностью настройки органических материалов. люминофоры.
Несмотря на то, что еще есть проблемы, которые предстоит решить, потенциальные применения этой технологии обширны и интересны: от энергоэффективных зданий и умных окон до гибких дисплеев и этикеток для защиты от подделок.
Схематическая иллюстрация фосфоресценции прозрачной древесины при комнатной температуре (PTW). а) Получение ПТВ и химическая структура различных арилбороновых кислот. б) Фотографии многоцветных окон с умным послесвечением, панелей освещения с задержкой времени с белым послесвечением и гибких цветных панелей освещения с задержкой, изготовленных из различных PTW. (Перепечатано с разрешения Wiley-VCH Verlag) Исследование опубликовано в журнале Малые структуры («Красочная фосфоресценция при комнатной температуре, включая белое послесвечение от механически прочной прозрачной древесины для освещения с задержкой времени»).
Ключ к успеху этого подхода заключается в образовании ковалентных связей между атомами бора арилбороновых кислот и атомами кислорода поливинилового спирта и целлюлозных волокон. Эти связи BO выполняют две важные функции: они закрепляют фосфоресцирующие молекулы в структуре древесины, предотвращая их выщелачивание с течением времени, и создают жесткую и плотную сеть водородных связей, которая подавляет молекулярные движения и стабилизирует триплетные экситоны, ответственные за фосфоресценцию. Тщательно выбирая арилбороновые кислоты с различными π-сопряженными структурами, такие как бифенил, фенантрен и пирен, исследователи смогли точно настроить цвет фосфоресценции от синего до зеленого и красного со временем жизни в диапазоне от 0.21 до 2.13 секунды.
Прозрачные образцы древесины, полученные этим методом, продемонстрировали замечательные оптические и механические свойства. Значения коэффициента пропускания достигали 90%, что делало материал очень прозрачным, а предел прочности на разрыв достигал 154 МПа, что намного превосходит показатели большинства полимеров и пластиков. Такое сочетание оптической прозрачности и механической прочности является значительным прорывом, поскольку оно открывает новые возможности для использования материалов на основе древесины в приложениях, требующих как прозрачности, так и прочности, таких как энергоэффективные окна, солнечные элементы и гибкие дисплеи.
Еще одним впечатляющим достижением этой работы стала генерация фосфоресценции белого света путем легирования прозрачного образца древесины, излучающего синий свет, небольшим количеством красителя родамина 6G, излучающего красный свет. Посредством процесса, известного как резонансный перенос энергии Фёрстера (FRET), триплетные экситоны донора арилбороновой кислоты эффективно передавали свою энергию в синглетно-возбужденное состояние акцептора родамина 6G, в результате чего образовывалась сбалансированная смесь синего и красного излучения, которая казалась белой для глаз. Эта прозрачная древесина, излучающая белый свет, имела время фосфоресценции 1.85 секунды и цветовую координату, близкую к координате стандартного белого света, что делало ее особенно привлекательной для применения в твердотельном освещении и дисплеях.
Чтобы продемонстрировать практический потенциал своей фосфоресцирующей прозрачной древесины, исследователи изготовили несколько устройств для проверки концепции, в том числе «умные» окна, которые могут обеспечивать окружающее освещение после воздействия солнечного света в течение дня, осветительные панели с задержкой по времени, которые могут служить аварийными знаками. или декоративные элементы, а также этикетки для защиты от подделок, на которых видны скрытые узоры при удалении источника возбуждения. Эти демонстрации подчеркивают универсальность материала и его потенциал для интеграции в широкий спектр продуктов и систем, от строительных материалов до потребительских товаров.
Хотя разработка фосфоресцирующей прозрачной древесины представляет собой важную веху, все еще существуют некоторые проблемы, которые необходимо решить для дальнейшего улучшения ее характеристик и расширения ее применения. Например, повышение эффективности и яркости фосфоресценции, дальнейшее продление срока службы, а также расширение диапазона цветов излучения и стратегий смешивания цветов могут сделать материал еще более привлекательным для практического применения. Кроме того, необходимо тщательно оценить долговременную стабильность и характеристики фосфоресцирующей прозрачной древесины в различных условиях окружающей среды, таких как высокая влажность, экстремальные температуры и воздействие ультрафиолета, чтобы гарантировать ее долговечность и надежность.
Несмотря на эти проблемы, работа команды Пекинского университета лесного хозяйства и Южно-Китайского технологического университета демонстрирует огромный потенциал древесных материалов для удовлетворения растущего спроса на устойчивые, высокопроизводительные и многофункциональные технологии. Объединив присущие древесине преимущества с расширенными химическими и физическими функциональными возможностями, исследователи прокладывают путь к новому поколению умных, экологически чистых и универсальных материалов, которые могут изменить то, как мы живем, работаем и общаемся.
Поскольку исследования в этой области продолжают развиваться, мы можем ожидать еще более интересных событий в ближайшем будущем. Интеграция фосфоресцирующей прозрачной древесины с другими новыми технологиями, такими как солнечные элементы, датчики и электронные устройства, может привести к созданию действительно многофункциональных, энергоэффективных и интеллектуальных материалов, которые стирают границы между природой и технологиями. Потенциальное влияние этих инноваций на самые разные области, от архитектуры и транспорта до здравоохранения и развлечений, огромно, и ясно, что дерево, материал, который использовался человечеством на протяжении тысячелетий, все еще таит в себе множество сюрпризов.
Разработка фосфоресцирующей прозрачной древесины представляет собой значительный прорыв в области устойчивых и многофункциональных материалов. Используя уникальные свойства древесины и объединяя их с передовыми оптическими функциями, исследователи создали новый класс материалов, сочетающий в себе лучшее из обоих миров: прочность, долговечность и экологичность древесины с прозрачностью, фосфоресценцией и возможностью настройки органических материалов. люминофоры.
Несмотря на то, что еще есть проблемы, которые предстоит решить, потенциальные применения этой технологии обширны и интересны: от энергоэффективных зданий и умных окон до гибких дисплеев и этикеток для защиты от подделок.
By
Майкл
Бергер
- Майкл является автором трех книг Королевского химического общества:
Нано-общество: раздвигая границы технологий,
Нанотехнология: будущее крошечнокачества
Наноинженерия: навыки и инструменты, делающие технологию невидимой
Все права защищены ©
ООО «Нановерк»
Станьте приглашенным автором Spotlight! Присоединяйтесь к нашей большой и растущей группе приглашенные участники. Вы только что опубликовали научную статью или хотите поделиться другими интересными событиями с сообществом нанотехнологов? Вот как опубликовать на nanowerk.com.
- SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
- PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
- ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
- ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
- ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
- Источник: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64810.php
