Учёные создали органическую жидкость с эффективной фосфоресценцией

Молекулярная структура и фотографии фосфоресцирующей молекулярной жидкости. Автор: Ёске Тани

Ностальгические «светящиеся в темноте» звёзды, которые мерцают на потолках детских спален, работают на явлении, называемом фосфоресценцией. Здесь материал поглощает энергию и позже высвобождает её в виде света. Однако недавний спрос на более мягкие фосфоресцирующие материалы поставил исследователей перед уникальной проблемой, поскольку производство органических жидкостей с эффективной фосфоресценцией при комнатной температуре считается сложной задачей.

Теперь исследователи из Университета Осаки попытались решить эту проблему, создав органическую жидкость, которая фосфоресцирует в окружающей среде. Это открытие опубликовано в журнале Chemical Science.

Традиционные материалы, способные фосфоресцировать при комнатной температуре, содержат атомы тяжёлых металлов. Эти фосфоры используются для создания цветных электронных дисплеев, которые мы используем каждый день, например, в наших смартфонах. Органические материалы, содержащие атомы углерода и водорода (похожие на материалы, встречающиеся в природе), более экологичны.

Однако органические молекулы обычно выделяют поглощённую энергию в 1000 раз медленнее, чем металлические молекулы, и им нужна жёсткая среда — например, расположение в виде кристаллического твёрдого тела — для фосфоресценции при комнатной температуре. Кристаллические материалы хрупки и с ними трудно работать.

Спектры поглощения и фотолюминесценции жидкости и раствора. Автор: Ёске Тани

«Органические жидкости — «мягкие» и могут быть легко деформированы и обработаны, — объясняет ведущий автор Ёске Тани. — Однако создание органических жидкостей, которые фосфоресцируют при комнатной температуре, затруднено, потому что жидкости гибкие».

Дополнительная проблема заключается в том, что молекулы в жидкости находятся так близко друг к другу, что хромофоры, поглощающие энергию, могут образовывать агрегаты и передавать энергию другим молекулам, вместо того чтобы высвобождать энергию в виде света. В целом эти проблемы могут привести к низкой эффективности фосфоресценции.

Чтобы преодолеть эти трудности, команда разработала органический молекулярный каркас с фосфоресцирующим остовом, называемый 3-бром-2-тиенилдикетон, к которому была присоединена особая группа молекул — диметилоктилсилильная группа, или DMOS. Присоединение одной группы DMOS оказалось полезным, так как это привело к получению жидкости, стабильной при комнатной температуре. Что ещё интереснее, присоединение двух групп DMOS нарушило молекулярную агрегацию и предотвратило ослабление фосфоресценции.

Спроектированная молекула может быстро производить фосфоресценцию благодаря своей конструкции, созданной командой с учётом эффективности. Квантовый выход, мера эффективности фотохимических реакций, является самым высоким из известных для органической жидкости, примерно в три раза превышая эффективность других органических жидкостей.

«Цвет света, излучаемого твёрдыми телами и жидкостями, обычно довольно приглушённый, тогда как наш материал — ярко-жёлтый, — сообщает Такудзи Огава, старший автор. — Эта характеристика нашей разработанной молекулы является свидетельством её эффективности».

Надеются, что эти улучшения в фосфоресценции пойдут на пользу любому применению органической жидкости. Отмечается, что наличие органических материалов, которые одновременно фосфоресцируют и гибки, приведёт к новым разработкам в области электронных дисплеев, особенно для тех, которые можно сгибать или растягивать для обеспечения функциональности носимых электронных устройств.

Больше информации: Yosuke Tani et al, Fast and efficient room-temperature phosphorescence from metal-free organic molecular liquids, Chemical Science (2025). DOI: 10.1039/D5SC03768A

Источник: University of Osaka