Leuchtende Nanotinten

Für LEDs haben chinesische Wissenschaftler aus molekularen Kupfer-Iod-Cluster-Verbindungen Aggregatsstrukturen im Nanobereich hergestellt, die im UV-Licht intensiv und mehrfarbig leuchten. Die festen Assoziate aus einem Kupfer-Iod-Komplex und phosphorhaltigen organischen Verbindungen seien unkompliziert und preiswert zu gewinnen, berichten die Wissenschaftler in der Zeitschrift „Angewandte Chemie“. Die Substanzen eigneten sich als lumineszierende Tinten für im normalen Licht unsichtbare Farbauftragungen und als Beschichtung, um die Farbe von Leuchtdioden zu verändern.

Aggregationsinduzierte Emission

Lumineszierende Substanzen senden durch Anregung mit Energue – chemischer, elektrischer oder UV-Licht – Licht aus, das wir oft als brillante Farben wahrnehmen. Lange Zeit galt die Ansicht, dass Aggregation, also die unkontrollierte Zusammenlagerung von Molekülen, schlecht für die Lumineszenzausbeute ist. Erst 2001 beobachteten Wissenschaftler zum ersten Mal, dass Aggregation umgekehrt auch Lumineszenz auslösen kann. In diesem Fall machten die strukturellen Änderungen im aggregierten Molekül die Substanz stark lumineszierend. Seitdem wuchs die Forschung an dem Phänomen der „aggregationsinduzierten Emission“ (AIE) rasant. Einer der Hauptgründe: Lumineszierende Beschichtungen oder Tinten enthalten in der Praxis eigentlich immer Pigmente, die in irgendeiner Form aggregiert vorliegen.

Stark lumineszierendes Aggregat

Wie man solche AIE-Verbindungen kontrolliert, einfach, preiswert und im größeren Maßstab herstellen kann, dafür interessierten sich Hong-Bin Yao an der University of Science and Technology of China in Hefei (China) und sein Team. Sie stießen auf eine stabile Clusterverbindung aus Kupfer und Iod, die in Verbindung mit Phosphanliganden in einem typischen AIE-Verhalten ein stark lumineszierendes Aggregat bildet.

Um die AIE-Substanz herzustellen, müssen die Wissenschaftler die Substanz zunächst in eine lösliche, molekulare Form bringen und dann die Moleküle kontrolliert in nichtlösliche Nanostrukturen aggregieren lassen. Dies gelang den Autoren durch eine Sequenz aus Emulgieren und Demulgieren. Sie schüttelten den nicht lumineszierenden Komplex, der in einem organischen Lösungsmittel gelöst war, mit einem Tensid in wässriger Lösung aus, bis die Tröpfchen so klein waren, dass sich dort AIE-aktive Nanoaggregate gebildet hatten.

Farbbeschichtung für Leuchtdioden

Diese Methode hat einen weiteren Vorteil: Durch Austauschen der chemischen Komponenten im Komplex kann man die Lumineszenzfarben ändern. Mit stickstoffhaltigen Liganden anstelle des ursprünglichen Phosphanliganden erzeugten die Autoren eine Sequenz von brillant orange bis blau lumineszierenden Tinten. Damit ließ es sich ausgezeichnet malen: Die Wissenschaftler schufen mit ihren wasserbasierten Tinten in orange, gelb und himmelblau aus einer Schwarzweißzeichnung ein herrliches exquisites Aquarell einer Unterwasserlandschaft – sichtbar nur unter UV-Licht.

Nicht nur zum Malen, sondern auch als Farbbeschichtung für Leuchtdioden eignen sich die Aggregate. Weißes LED-Licht ist allgemein schwierig zu erzeugen. Die Forscher beschichteten blaue LEDs mit dem gelb lumineszierenden Kupfer-Iod-Hybrid und erhielten weißes LED-Licht. Für die Praxis müssen aber wohl noch Anpassungen vorgenommen werden. Die Lichtausbeute sei noch zu klein, meinten die Autoren.

Die Studie wurde veröffentlicht in: Angewandte Chemie Nr. 16/2018.

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