Neue Kristall-Engineering-Strategie zur Entwicklung ultraheller fluoreszierender Festfarbstoffe

Wenn es um die Entwicklung ultraheller fluoreszierender Festkörpermaterialien geht, könnten verbrückte Kristalldesigns der Schlüssel sein, um monomere Emission zu ermöglichen und Zugang zu neuartigen kristallinen Systemen zu erhalten, zeigt eine neue Studie. Ein Forschungsteam des Tokyo Institute of Technology stellte ultrahelle Fluoreszenzfarbstoffe unter Verwendung von Di-verbrückten Distyrylbenzolen (DSBs) mit flexiblen Alkylenbrücken unter Verwendung einer neuartigen Kristall-Engineering-Studie her. Die Ergebnisse haben wichtige Implikationen für das Gebiet der photofunktionellen Materialien.

Fluoreszierende feste organische Farbstoffe haben eine Reihe von Anwendungen, die von funktionellen Nanomaterialien und Displays mit organischen Leuchtdioden (OLED) bis hin zu Lasern und Bio-Imaging reichen. Diese Moleküle haben eine ausgezeichnete Vielseitigkeit, anpassbare Moleküldesigns und eine ausgezeichnete Verarbeitbarkeit. Die Verbesserung der Lumineszenzeigenschaften, Kristallinitäten und Emissionsfarben dieser Festkörper-Fluoreszenzfarbstoffe ist ein Schlüsselgebiet der Forschung auf diesem Gebiet, insbesondere für das Design fortschrittlicher OLEDs. Entwicklungen zu diesem Zweck werden jedoch durch drei Hauptfaktoren begrenzt. Erstens erfahren die meisten fluoreszierenden Farbstoffe im festen Zustand eine Konzentrationslöschung (eine Verringerung der Fluoreszenz, wenn die Konzentration des fluoreszierenden Moleküls ein bestimmtes Niveau überschreitet). Zweitens die Tendenz von Farbstoffmolekülen, im Festkörper zu aggregieren und aufgrund der resultierenden intermolekularen elektronischen Wechselwirkungen eine Fluoreszenz unterschiedlicher Farben zu erzeugen. Und drittens sind Kristalldesignstrategien, die eine monomere Emission (im Wesentlichen Emissionen einer einzigen Wellenlänge, dh Farbe) sicherstellen können, unterentwickelt.

Um dies anzugehen, entwickelte ein Forschungsteam unter der Leitung von Associate Professor Gen-ichi Konishi vom Tokyo Institute of Technology eine neuartige Strategie für das Kristalldesign unter Verwendung flexibler molekularer Brücken. Die Studie, erschienen in Chemie – Eine europäische Zeitschriftbeschreibt die Herstellung von stark fluoreszierenden monomeren emittierenden zweifach verbrückten Distyrylbenzolen (DSBs) mit kontrollierten elektronischen Eigenschaften und Lumineszenz. „Ein typischer Ansatz für das Kristalldesign für fluoreszierende feste Farbstoffe ist die auf sterischer Hinderung basierende Strategie, bei der wir die Masse eines Moleküls manipulieren, um eine Verstopfung um die reaktiven Atome herum zu verursachen und intermolekulare Wechselwirkungen zu unterdrücken. Ein häufiger Nachteil dieses Ansatzes ist jedoch eine Zunahme Abstand zwischen den Chromophoren (fluoreszierenden Molekülen). Unsere Designstrategie vermeidet diesen Nebeneffekt erfolgreich“, erklärt außerordentlicher Prof. Konishi.

In dieser Studie präparierte das Forschungsteam eine hochdichte Kristallstruktur namens DBDB[7]s. DSBs und DBDB[7]s sind π-konjugierte Systeme, was bedeutet, dass diese organischen Moleküle alternierende Einfachbindungen (CC) und Doppelbindungen (C=C) in ihren Strukturen aufweisen. Das Team führte eine organische funktionelle Gruppe namens Propylen als Brückenmolekül zwischen den sechsgliedrigen Ringen auf beiden Seiten der Doppelbindungen in der DSB-Struktur ein. Diese Zugabe führte zu einer neuen kompakten Kristallstruktur mit unterdrückten intermolekularen Wechselwirkungen und geringeren Abständen zwischen den Chromophoren. „Im Wesentlichen erzeugte die Einführung von siebengliedrigen (nach Überbrückung) Ringen in den DSB-Kern eine moderate Verzerrung und sterische Hinderung in der π-Ebene von DSB, was es uns ermöglichte, die molekulare Anordnung zu kontrollieren, ohne die Kristalldichte zu erhöhen“, sagt Associate . Prof. Konishi.

Das Team untersuchte weiter die photophysikalischen Eigenschaften von DBDB[7]s und entdeckten, dass die geringe Größe der in dieser Studie verwendeten Brückenmoleküle die monomere Emission im Festkörper unterstützte. Sie sahen auch, dass DBDB[7]s war ultrahell mit hoher Quantenausbeute und emittierte ähnliche Farben sowohl in nicht aggregierter verdünnter Lösung als auch im Festkörper.

„Die in unserer Studie beschriebene verbrückte DSB-Kristallstruktur ermöglicht den Zugang zu neuartigen kristallinen Systemen“, schließt außerordentlicher Prof. Konishi. „Unsere Strategie hat weitreichende Auswirkungen darauf, wie wir an das Design photofunktionaler Molekülkristalle herangehen.“