Fosforescenza a temperatura ambiente da legno naturale attivata mediante trattamento esterno con anioni cloruro

Jun 20, 2023

Nature Communications volume 14, numero articolo: 2614 (2023) Citare questo articolo

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La produzione di fosforescenza a temperatura ambiente (RTP) da fonti naturali è un approccio interessante ai materiali RTP sostenibili. Tuttavia, la conversione delle risorse naturali in materiali RTP spesso richiede reagenti tossici o lavorazioni complesse. Qui riportiamo che il legno naturale può essere convertito in un materiale RTP vitale trattandolo con cloruro di magnesio. Nello specifico, l'immersione del legno naturale in una soluzione acquosa di MgCl2 a temperatura ambiente produce i cosiddetti anioni cloruro contenenti legno C che agiscono per promuovere l'accoppiamento spin-orbita (SOC) e aumentare la durata dell'RTP. Prodotto in questo modo, il C-wood presenta un'intensa emissione RTP con una durata di ~ 297 ms (rispetto ai circa 17,5 ms osservati per il legno naturale). A dimostrazione della potenziale utilità, una scultura in legno luminescente viene preparata in situ semplicemente spruzzando la scultura originale con una soluzione di MgCl2. Il legno C è stato anche miscelato con polipropilene (PP) per generare fibre post-bagliore stampabili adatte alla fabbricazione di plastica luminescente tramite stampa 3D. Prevediamo che il presente studio faciliterà lo sviluppo di materiali RTP sostenibili.

L'emissione di fosforescenza a temperatura ambiente (RTP) è definita come un'emissione che dura più di 100 ms dopo la rimozione della fonte di eccitazione1. I materiali con emissione di bagliore RTP presentano una lunga durata, ampi spostamenti di Stokes e buoni rapporti segnale-rumore. Spesso possono essere visualizzati facilmente ad occhio nudo. Questi attributi hanno reso i materiali RTP attraenti per l'uso in un'ampia varietà di applicazioni, tra cui decorazioni visive, rilevamento ottico, imaging biologico e crittografia delle informazioni2,3,4,5,6. I materiali RTP organici con afterglow derivati ​​da fonti naturali sono di particolare interesse poiché si prevede che siano sostenibili, flessibili, biocompatibili e disponibili su larga scala7,8.

Per ottenere materiali RTP afterglow sostenibili, è necessario superare due barriere cruciali9,10,11. In primo luogo, gli eccitoni tripletti dei cromofori inerenti al materiale sorgente devono essere effettivamente popolati facilitando l'ISC dagli eccitoni singoletti agli eccitoni tripletti, che tipicamente richiedono un efficiente accoppiamento spin-orbita (SOC)12,13. In secondo luogo, la disattivazione non radiativa degli eccitoni tripletti risultanti deve essere soppressa14,15,16,17,18.

Guidati da questi principi, sono state perseguite due strategie generali per fabbricare materiali RTP afterglow sostenibili ed efficaci. Il primo approccio si basa sulla conversione di materiali di biomassa (come gelatina, cellulosa e lolla di riso) in punti di carbonio dotati di SOC efficiente; questi punti vengono poi confinati in una matrice organica per stabilizzare gli eccitoni tripletti19,20,21. Un'altra strategia prevede l'utilizzo di materiali naturali non trattati direttamente, come lignina, gelatina e cellulosa, come cromofori incorporati all'interno di una matrice rigida22,23,24,25. Tuttavia, la fabbricazione di questi sistemi RTP sostenibili comporta generalmente l’uso di reagenti tossici, processi che consumano energia o procedure complesse difficili da eseguire su larga scala. Ad esempio, dalla nostra ricerca precedente abbiamo convertito il legno in materiali strutturali RTP utilizzando l’ossidazione della lignina assistita da NaOH e H2O225 concentrato. Tuttavia, l'essiccazione ad alte temperature della legna contenente H2O2 concentrata nel forno è molto pericolosa (potenzialmente esplosiva). Inoltre, l'ossidazione della lignina distrugge la stabilità fisico-chimica del legno26,27,28,29. Di conseguenza, rimane la necessità di metodi che consentano di preparare i materiali RTP afterglow in modo conveniente ed economico da fonti sostenibili.

Per affrontare la sfida di cui sopra, siamo stati attratti dal legno. Il legno è una risorsa in gran parte rinnovabile che presenta una breve fosforescenza (~17–30 ms), un risultato attribuito al confinamento della lignina all'interno della matrice di cellulosa ed emicellulosa associata25,30,31. Precedenti rapporti hanno indicato che la durata dei cromofori fosforescenti può essere aumentata trattando con sali di atomi pesanti32,33,34 alcune piccole molecole35,36,37,38,39 o polimeri40,41,42. Tuttavia, questi approcci non sono stati ampiamente sfruttati per la creazione di materiali RTP afterglow a base di legno naturale in modo delicato. Come dettagliato di seguito, ora abbiamo migliorato con successo la durata del legno naturale da ~ 17,5 ms a ~ 297 ms trattando con cloruro di magnesio acquoso 1 M per 2 secondi a temperatura ambiente (Fig. 1a). Il legno contenente ioni cloruro così ottenuto (legno C) mostrava un'emissione di bagliore residuo ultra lungo. Con l'obiettivo di preparare il legno C in modo rapido e riproducibile (Fig. 1b), abbiamo sviluppato una linea di produzione automatica in cui il legno di origine veniva manipolato da robot e soggetto a immersione in una soluzione acquosa di MgCl2 prima di essere immesso sulla linea per il trasporto e l'essiccazione (Fig. 1c e filmato supplementare 1). Abbiamo anche scoperto che il legno C potrebbe essere convertito in fibre afterglow utilizzando polipropilene (PP), consentendone così l’uso nella stampa 3D.