La lunghezza della catena determina il colore molecolare
I ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno sviluppato polimeri fluorescenti il cui colore può essere facilmente regolato. A seconda della loro lunghezza, i polimeri brillano di un colore diverso. Le possibili applicazioni includono la biomedicina, la stampa di sicurezza e l'energia solare.
Gli organi, ossia le molecole contenenti carbonio che, se eccitate, emettono luce colorata, sono attualmente oggetto di intense ricerche e sviluppi in tutto il mondo. Questo campo di ricerca è guidato dall'industria dei display e dallo sviluppo di tecniche di imaging biomedico. Mentre nel caso dei coloranti fluorescenti organici, finora le gradazioni di colore precise sono state ottenute per lo più mescolando molecole diverse, i ricercatori dell'ETH hanno ora sviluppato un approccio in cui è possibile produrre una gamma di colori diversi mediante aggiustamenti chimici in un'unica molecola.
Gli scienziati guidati da Yinyin Bao, capogruppo del gruppo del professor Jean-Christophe Leroux dell'ETH, hanno utilizzato polimeri organici fluorescenti. Questi polimeri possono essere immaginati come catene mobili di diversa lunghezza. "Le catene hanno una struttura simmetrica e due componenti al loro interno contribuiscono alla fluorescenza", spiega Bao. "Uno è un componente al centro della catena, che chiamiamo fluoroforo, e l'altro è un componente che si trova una volta ad ogni estremità della catena". Tra il fluoroforo al centro della catena e le sue estremità ci sono delle maglie, il cui numero e la cui struttura possono variare. Se la catena polimerica viene piegata in modo tale che una delle sue estremità si avvicini al fluoroforo e la catena viene contemporaneamente irradiata con luce UV, essa diventa fluorescente.
La distanza influenza l'interazione
Gli scienziati sono ora riusciti a dimostrare che il colore fluorescente dipende non solo dalla struttura delle maglie e delle estremità della catena, ma anche dal numero di maglie della catena. "L'interazione tra l'estremità della catena e il fluoroforo è responsabile della fluorescenza di questi polimeri", spiega Bao. "La distanza tra i due componenti influenza l'interazione e quindi il colore emesso".
Utilizzando un metodo noto come "polimerizzazione vivente", i ricercatori possono determinare il numero di anelli della catena. In un processo lento, aggiungono gradualmente blocchi di costruzione alla catena. Una volta raggiunta la lunghezza desiderata, gli scienziati possono terminare il processo e aggiungere la molecola di fine catena. In questo modo, i ricercatori hanno prodotto polimeri con colori diversi: con meno di 18 blocchi di costruzione, le molecole si colorano di giallo, con 25 anelli di catena di verde e con 44 o più anelli di blu. "La particolarità è che questi polimeri di colore diverso sono tutti costituiti esattamente dagli stessi componenti. L'unica differenza è la lunghezza della catena", sottolinea Bao.
OLED con un'ampia gamma di colori
Il team di ricerca, che comprende scienziati del gruppo del professor Chih-Jen Shih dell'ETH e del Royal Melbourne Institute of Technology in Australia, ha pubblicato il proprio lavoro sulla rivista pagina esternaAvanzamenti scientifici. Al momento, i ricercatori possono produrre polimeri fluorescenti solo nei colori giallo, verde e blu. Tuttavia, gli scienziati stanno lavorando per estendere il principio ad altri colori, tra cui il rosso.
I nuovi polimeri fluorescenti non possono essere utilizzati direttamente come OLED (LED organici) negli schermi perché la loro conducibilità elettrica non è sufficientemente elevata, spiega Bao. Tuttavia, è possibile combinare i polimeri con molecole semiconduttrici per produrre facilmente OLED con un'ampia gamma di colori. Nelle centrali solari termiche (energia solare concentrata), inoltre, potrebbero raccogliere la luce solare in modo più efficiente, aumentando così l'efficienza delle centrali. Secondo l'ETH, le principali aree di applicazione sono le procedure diagnostiche di laboratorio in cui viene utilizzata la fluorescenza, ad esempio nella PCR, nonché la microscopia e le procedure di imaging nella biologia cellulare e in medicina. Altre aree di applicazione includono le caratteristiche di sicurezza su banconote, certificati e passaporti.
Riferimento alla letteratura
Ye S, Tian T, Christofferson AJ, Erikson S, Jagielski J, Luo Z, Kumar S, Shih CJ, Leroux JC, Bao Y: Regolazione continua del colore dell'emissione di un singolo fluoroforo tramite trasferimento di carica attraverso lo spazio mediato dalla polimerizzazione. Science Advances, 7 aprile 2021, doi: pagina esterna10.1126/sciadv.abd1794