Forscher entwickeln Clusterglas für Fluoreszenz und nichtlineare optische Eigenschaften

Glas kann durch eine neuartige Phasenumwandlung „Kristall-Flüssigkeit-Glas“ synthetisiert werden. Kristalline Materialien können mithilfe von Designprinzipien der Koordinationschemie und der Gitterchemie auf gewünschte Eigenschaften wie verbesserte Stoffübertragung und optische Eigenschaften abgestimmt werden.

Allerdings bleibt es eine Herausforderung, die lokale Strukturstörung kristalliner Materialien zu induzieren, um den Glasübergang zu erreichen, da die meisten von ihnen vor dem Schmelzen zersetzt werden.

Im metallorganischen Gerüstsystem ist die Erforschung glasartiger Zustände auf einige Modellverbindungen wie ZIF-4, ZIF-62 und ZIF-8 beschränkt. Es besteht die Notwendigkeit, die Begrenzung von Metallen und Liganden im „Kristall-Flüssigglas“-Prozess zu durchbrechen und den Glassyntheseweg für universelle kristalline Materialien zu entwickeln.

In einer Studie veröffentlicht in Angewandte Chemie Internationale Ausgabeberichtete eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Prof. Zhang Jian und Prof. Fang Weihui vom Fujian Institute of Research on the Structure of Matter der Chinesischen Akademie der Wissenschaften über schmelzbare Aluminium-Molekülringe mit Fluoreszenz und nichtlinearen optischen Eigenschaften.

Inspiriert durch die Eigenschaften tief eutektischer Lösungsmittelmischungen (DES), die im Vergleich zu ihren reinen Bestandteilen deutlich niedrigere Schmelzpunkte aufweisen, entwarfen und synthetisierten die Forscher die ersten Beispiele schmelzbarer Aluminium-Oxo-Cluster durch Gitterdotierung mit DESs auf molekularer Ebene.

Diese Art von molekularer Ringverbindung durchläuft nach dem Erhitzen einen Kristall-Flüssigkeit-Glas-Prozess. Als Hauptursache für den niedrigeren Schmelzpunkt gelten die zahlreichen und starken Wasserstoffbrückenbindungen zwischen dem Aluminium-Molekülring, den DES-Komponenten und dem Gitterlösungsmittel in der Struktur. Diese Gitterdotierungsverbindungsmethode bietet eine allgemeine Vorbereitungsmethode für die Entwicklung von Clusterglas.

Die Zusammensetzungsänderungen der Verbindungen vor und nach dem Schmelzen und Abschrecken bestimmten die Forscher mithilfe moderner Charakterisierungsmethoden und In-situ-Temperaturüberwachung (TG-IR-MS). Sie versuchten, DES-Lösungsmittel mit einem leeren Al8-Ring durch physikalische Dotierung zu mischen, und fanden nach dem Erhitzen kein Schmelzphänomen in der Mischung, was die Bedeutung der Dotierung der DES-Komponente im Gitter beweist, d. h. die DES-Komponente bildet eine „Supracluster“-Struktur mit Aluminium-Molekularring.

Aufgrund der Plastizität des „weichen Materials“ des Clusterglases untersuchten die Forscher dessen Bearbeitbarkeit und optische Eigenschaften. Sie stellten den blasenfreien Glasfilm durch ein einfaches „Heißpressverfahren“ unter Atmosphärendruck her und behielten die Lumineszenz und den nichtlinearen Effekt dritter Ordnung ähnlich dem des Originalkristalls gut bei.

Die Bildung dieses Cluster-Glasfilms erfordert keine zusätzlichen Mischmedien, was sich von der herkömmlichen Substratbindungsmethode unterscheidet und die Vorteile von Cluster-Glas offenbart.

Diese Studie zeigt das Potenzial von Aluminium-ähnlichem Glas, das aus dem dritthäufigsten Metall in der Erdkruste hergestellt wird, für eine nachhaltige Entwicklung. Die Strategie, die den molekularen Aluminiumring und die ionische Flüssigkeitskomponente kombiniert, überwindet die Einschränkungen des Metall- und Ligandentyps von Kristallglas und bietet einen besseren Ansatz für die Untersuchung von „Kristall-Flüssigkeits-Glas“.