Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie i Politechniki Warszawskiej pod kierownictwem prof. Janusza Lewińskiego opracowali nową klasę wysoce luminescencyjnych kompleksów glinoorganicznych. Materiały te osiągają wydajność kwantową fotoluminescencji sięgającą 100 procent w stanie stałym, co jest bezprecedensowe dla kompleksów glinu.
Badania prowadzone we współpracy z prof. Andrew E. H. Wheatley’em z Uniwersytetu Cambridge zaowocowały syntezą nowej serii unikalnych tetramerycznych, chiralnych kompleksów alkilowoglinowych zawierających łatwo dostępne ligandy z grupy aminokwasów aromatycznych. Te oryginalne glinoorganiczne pochodne kwasu antranilowego wykazują wyjątkowo obiecujące właściwości optoelektroniczne.
Vadim Szejko z Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej, pierwszy autor publikacji, wyjaśnił: „Skupiamy się na komercyjnie dostępnym kwasie antranilowym i jego N-metylowych i N-fenylowych pochodnych jako modelowych proligandach. Reakcja każdego z tych kwasów z odpowiednim związkiem R3Al w toluenie doprowadziła do powstania serii czwartorzędowych stereogenicznych kompleksów, które mają unikalne właściwości”.
Kluczowym odkryciem było, że subtelne modyfikacje ligandów znacznie zwiększają wydajność emisji. Dr Iwona Justyniak z Instytutu Chemii Fizycznej PAN podkreśliła: „Zmieniając podstawniki na atomie azotu z atomu wodoru na grupę metylową i fenylową, opracowaliśmy serię luminoforów, które wykazują słabą do doskonałej wydajność, dostarczając pochodną [(Ph-anth)AlEt]4, która osiąga maksimum wydajności kwantowej fotoluminescencji w fazie skondensowanej”.
Obliczenia kwantowo-chemiczne umożliwiły zidentyfikowanie fragmentów na poziomie pojedynczej cząsteczki, które najsilniej przyczyniają się do zaobserwowanych właściwości fotofizycznych materiału. Modyfikacje ligandów hamowały niepożądane ścieżki relaksacji, zwiększając wydajność emisji. W ciele stałym niekowalencyjne oddziaływania wewnątrz- i międzycząsteczkowe pomagają zachować integralność strukturalną podczas wzbudzenia, minimalizując zniekształcenia.
Glin jest łatwo dostępnym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej i od czasu przełomowego zastosowania molekularnego kompleksu Alq3 w diodach LED w 1987 roku różne kompleksy glinu były intensywnie badane pod kątem ich właściwości fotofizycznych. Nowe materiały charakteryzują się prostotą syntezy i unikalnymi właściwościami, co czyni je bardzo obiecującym kandydatem do praktycznych zastosowań.
Wyniki pracy zostały opublikowane w prestiżowym piśmie „Angewandte Chemie International Edition”. Badania uzyskały finansowanie z Narodowego Centrum Nauki w ramach grantu OPUS 19.
Prostota modyfikacji szkieletu ligandu oferuje możliwość dalszego ulepszania układu w celu osiągnięcia większej stabilności chemicznej i umożliwia modulację właściwości optycznych, co przybliża materiały do praktycznych zastosowań.
Opracowane materiały luminescencyjne mogą znaleźć szerokie zastosowanie w nowoczesnych technologiach optoelektronicznych, szczególnie w diodach OLED, ekranach wyświetlaczy i czujnikach optycznych. Rosnące zapotrzebowanie na energooszczędne rozwiązania świetlne oraz rozwój technologii bioobrazowania sprawiają, że nowe luminofory o wysokiej wydajności kwantowej stają się kluczowe dla dalszego postępu w elektronice i medycynie, wspierając transformację w kierunku bardziej efektywnych i zrównoważonych technologii świetlnych.
