07 de marzo de 2024 (Proyector Nanowerk) En la búsqueda de materiales sostenibles y multifuncionales, la madera se ha convertido en el principal candidato debido a su combinación única de resistencia, durabilidad y renovabilidad. Sin embargo, a pesar de sus muchas propiedades deseables, la madera se ha visto obstaculizada durante mucho tiempo por su opacidad, lo que limita sus aplicaciones potenciales en campos como edificios energéticamente eficientes, células solares y dispositivos emisores de luz. Para superar esta limitación, los investigadores han desarrollado varias estrategias para hacer que la madera sea transparente y al mismo tiempo preservar su integridad mecánica, un proceso que normalmente implica eliminar el componente de lignina que absorbe la luz y reemplazarlo con una matriz de polímero transparente. Si bien la madera transparente en sí misma representa un avance significativo, la capacidad de dotarla de funcionalidades adicionales, como la fosforescencia a temperatura ambiente, sigue siendo un desafío. La fosforescencia a temperatura ambiente, la emisión de luz que persiste después de que se retira la fuente de excitación, tiene numerosas aplicaciones potenciales, que incluyen señalización de emergencia, etiquetas antifalsificación e iluminación decorativa. Sin embargo, la mayoría de los materiales que presentan este fenómeno son compuestos inorgánicos u organometálicos, que pueden resultar costosos, tóxicos y difíciles de procesar. Los compuestos orgánicos, por otro lado, a menudo sufren de emisiones débiles y vidas cortas debido al cruce ineficiente entre sistemas y a vías de desintegración no radiativa. En un esfuerzo por abordar estas limitaciones, los investigadores han explorado varias estrategias para mejorar la fosforescencia a temperatura ambiente de materiales orgánicos, como la ingeniería de cristales, la complejación huésped-huésped y la encapsulación de matriz polimérica. Si bien estos enfoques han dado resultados prometedores, a menudo requieren una síntesis compleja, un control preciso sobre la disposición molecular o el uso de iones metálicos raros y costosos. Además, la integración de estos materiales fosforescentes en aplicaciones prácticas a gran escala sigue siendo un desafío importante. Avances recientes en el campo de electronica organica han proporcionado nuevos conocimientos sobre el diseño y la síntesis de fósforos orgánicos eficientes y estables. En particular, se ha demostrado que el uso de estructuras rígidas conjugadas en π con átomos pesados o grupos carbonilo mejora el cruce entre sistemas y reduce la desintegración no radiativa. Además, se ha descubierto que la incorporación de estos fósforos en matrices poliméricas con altas temperaturas de transición vítrea y baja permeabilidad al oxígeno mejora su estabilidad y rendimiento en condiciones ambientales. Sobre la base de estos desarrollos, un equipo de investigadores de la Universidad Forestal de Beijing y la Universidad Tecnológica del Sur de China ha dado un importante paso adelante al integrar con éxito fósforos orgánicos en madera transparente, creando una nueva clase de materiales sostenibles y multifuncionales con propiedades sintonizables y de larga duración. fosforescencia a temperatura ambiente. Su enfoque innovador, que implica el enlace covalente de ácidos arilborónicos con las fibras de celulosa y la matriz de alcohol polivinílico dentro de la estructura de la madera, no sólo supera las limitaciones de los fósforos orgánicos anteriores sino que también aprovecha las propiedades únicas de la madera para mejorar el rendimiento óptico y mecánico de el material resultante.
Ilustración esquemática de la madera transparente fosforescente a temperatura ambiente (PTW). a) Preparación de los PTW y estructuras químicas de diferentes ácidos arilborónicos. b) Fotografías de ventanas luminosas inteligentes multicolores, paneles de iluminación con retardo de tiempo con resplandor blanco y paneles de iluminación de retardo flexibles y coloridos fabricados con varios PTW. (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) La investigación ha sido publicada en Pequeñas Estructuras (“Fosforescencia colorida a temperatura ambiente que incluye resplandor blanco de madera transparente mecánica robusta para iluminación con retardo de tiempo”).
La clave del éxito de este enfoque reside en la formación de enlaces covalentes entre los átomos de boro de los ácidos arilborónicos y los átomos de oxígeno del alcohol polivinílico y las fibras de celulosa. Estos enlaces BO cumplen dos funciones críticas: anclan las moléculas fosforescentes a la estructura de la madera, evitando que se filtren con el tiempo, y crean una red rígida y densa de enlaces de hidrógeno que suprime los movimientos moleculares y estabiliza los excitones tripletes responsables de la fosforescencia. Al seleccionar cuidadosamente ácidos arilborónicos con diferentes estructuras conjugadas en π, como bifenilo, fenantreno y pireno, los investigadores pudieron ajustar el color de la fosforescencia de azul a verde y rojo, con tiempos de vida que oscilaron entre 0.21 y 2.13 segundos.
Las muestras de madera transparentes producidas con este método exhibieron notables propiedades ópticas y mecánicas. Los valores de transmitancia alcanzaron hasta el 90%, lo que hizo que el material fuera muy transparente, mientras que las resistencias a la tracción alcanzaron hasta 154 MPa, superando con creces las de la mayoría de los polímeros y plásticos. Esta combinación de claridad óptica y robustez mecánica es un avance significativo, ya que abre nuevas posibilidades para el uso de materiales a base de madera en aplicaciones que requieren transparencia y resistencia, como ventanas, células solares y pantallas flexibles energéticamente eficientes.
Otro logro impresionante de este trabajo fue la generación de fosforescencia de luz blanca dopando una muestra de madera transparente que emite azul con una pequeña cantidad del tinte rojo rodamina 6G. A través de un proceso conocido como transferencia de energía por resonancia de Förster (FRET), los excitones tripletes del donante de ácido arilborónico transfirieron eficientemente su energía al estado excitado singlete del aceptor de rodamina 6G, lo que resultó en una mezcla equilibrada de emisión azul y roja que parecía blanca para el ojo. Esta madera transparente que emite luz blanca tenía una vida útil de fosforescencia de 1.85 segundos y una coordenada de color cercana a la de la luz blanca estándar, lo que la hacía particularmente atractiva para aplicaciones en iluminación y pantallas de estado sólido.
Para demostrar el potencial práctico de su madera transparente fosforescente, los investigadores fabricaron varios dispositivos de prueba de concepto, incluidas ventanas inteligentes que podrían proporcionar iluminación ambiental después de haber sido expuestas a la luz solar durante el día, paneles de iluminación con retardo de tiempo que podrían servir como señales de emergencia. o elementos decorativos, y etiquetas antifalsificación que revelan patrones ocultos cuando se retira la fuente de excitación. Estas demostraciones resaltan la versatilidad del material y su potencial para integrarse en una amplia gama de productos y sistemas, desde materiales de construcción hasta bienes de consumo.
Si bien el desarrollo de la madera transparente fosforescente representa un hito importante, todavía quedan algunos desafíos que deben abordarse para mejorar aún más su rendimiento y ampliar su aplicabilidad. Por ejemplo, mejorar la eficiencia y el brillo de la fosforescencia, extender aún más la vida útil y ampliar la gama de colores de emisión y las estrategias de mezcla de colores podrían hacer que el material sea aún más atractivo para aplicaciones prácticas. Además, es necesario evaluar cuidadosamente la estabilidad a largo plazo y el rendimiento de la madera transparente fosforescente en diferentes condiciones ambientales, como alta humedad, temperaturas extremas y exposición a los rayos UV, para garantizar su durabilidad y confiabilidad.
A pesar de estos desafíos, el trabajo del equipo de la Universidad Forestal de Beijing y la Universidad Tecnológica del Sur de China demuestra el vasto potencial de los materiales a base de madera para abordar la creciente demanda de tecnologías sostenibles, de alto rendimiento y multifuncionales. Al combinar las ventajas inherentes de la madera con funcionalidades químicas y físicas avanzadas, los investigadores están allanando el camino para una nueva generación de materiales inteligentes, ecológicos y versátiles que podrían transformar la forma en que vivimos, trabajamos y nos comunicamos.
A medida que la investigación en este campo continúa avanzando, podemos esperar ver desarrollos aún más interesantes en el futuro cercano. La integración de la madera transparente fosforescente con otras tecnologías emergentes, como células solares, sensores y dispositivos electrónicos, podría conducir a la creación de materiales verdaderamente multifuncionales, energéticamente eficientes e inteligentes que difuminen los límites entre naturaleza y tecnología. El impacto potencial de estas innovaciones en campos que van desde la arquitectura y el transporte hasta la salud y el entretenimiento es inmenso, y está claro que la madera, un material que ha sido utilizado por la humanidad durante milenios, todavía nos reserva muchas sorpresas.
El desarrollo de la madera transparente fosforescente representa un avance significativo en el campo de los materiales sostenibles y multifuncionales. Aprovechando las propiedades únicas de la madera e integrándolas con funcionalidades ópticas avanzadas, los investigadores han creado una nueva clase de materiales que combinan lo mejor de ambos mundos: la resistencia, durabilidad y sostenibilidad de la madera con la transparencia, fosforescencia y sintonizabilidad de los compuestos orgánicos. fósforos.
Si bien aún quedan desafíos por abordar, las aplicaciones potenciales de esta tecnología son vastas y emocionantes, y van desde edificios energéticamente eficientes y ventanas inteligentes hasta pantallas flexibles y etiquetas antifalsificación.
Ilustración esquemática de la madera transparente fosforescente a temperatura ambiente (PTW). a) Preparación de los PTW y estructuras químicas de diferentes ácidos arilborónicos. b) Fotografías de ventanas luminosas inteligentes multicolores, paneles de iluminación con retardo de tiempo con resplandor blanco y paneles de iluminación de retardo flexibles y coloridos fabricados con varios PTW. (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) La investigación ha sido publicada en Pequeñas Estructuras (“Fosforescencia colorida a temperatura ambiente que incluye resplandor blanco de madera transparente mecánica robusta para iluminación con retardo de tiempo”).
La clave del éxito de este enfoque reside en la formación de enlaces covalentes entre los átomos de boro de los ácidos arilborónicos y los átomos de oxígeno del alcohol polivinílico y las fibras de celulosa. Estos enlaces BO cumplen dos funciones críticas: anclan las moléculas fosforescentes a la estructura de la madera, evitando que se filtren con el tiempo, y crean una red rígida y densa de enlaces de hidrógeno que suprime los movimientos moleculares y estabiliza los excitones tripletes responsables de la fosforescencia. Al seleccionar cuidadosamente ácidos arilborónicos con diferentes estructuras conjugadas en π, como bifenilo, fenantreno y pireno, los investigadores pudieron ajustar el color de la fosforescencia de azul a verde y rojo, con tiempos de vida que oscilaron entre 0.21 y 2.13 segundos.
Las muestras de madera transparentes producidas con este método exhibieron notables propiedades ópticas y mecánicas. Los valores de transmitancia alcanzaron hasta el 90%, lo que hizo que el material fuera muy transparente, mientras que las resistencias a la tracción alcanzaron hasta 154 MPa, superando con creces las de la mayoría de los polímeros y plásticos. Esta combinación de claridad óptica y robustez mecánica es un avance significativo, ya que abre nuevas posibilidades para el uso de materiales a base de madera en aplicaciones que requieren transparencia y resistencia, como ventanas, células solares y pantallas flexibles energéticamente eficientes.
Otro logro impresionante de este trabajo fue la generación de fosforescencia de luz blanca dopando una muestra de madera transparente que emite azul con una pequeña cantidad del tinte rojo rodamina 6G. A través de un proceso conocido como transferencia de energía por resonancia de Förster (FRET), los excitones tripletes del donante de ácido arilborónico transfirieron eficientemente su energía al estado excitado singlete del aceptor de rodamina 6G, lo que resultó en una mezcla equilibrada de emisión azul y roja que parecía blanca para el ojo. Esta madera transparente que emite luz blanca tenía una vida útil de fosforescencia de 1.85 segundos y una coordenada de color cercana a la de la luz blanca estándar, lo que la hacía particularmente atractiva para aplicaciones en iluminación y pantallas de estado sólido.
Para demostrar el potencial práctico de su madera transparente fosforescente, los investigadores fabricaron varios dispositivos de prueba de concepto, incluidas ventanas inteligentes que podrían proporcionar iluminación ambiental después de haber sido expuestas a la luz solar durante el día, paneles de iluminación con retardo de tiempo que podrían servir como señales de emergencia. o elementos decorativos, y etiquetas antifalsificación que revelan patrones ocultos cuando se retira la fuente de excitación. Estas demostraciones resaltan la versatilidad del material y su potencial para integrarse en una amplia gama de productos y sistemas, desde materiales de construcción hasta bienes de consumo.
Si bien el desarrollo de la madera transparente fosforescente representa un hito importante, todavía quedan algunos desafíos que deben abordarse para mejorar aún más su rendimiento y ampliar su aplicabilidad. Por ejemplo, mejorar la eficiencia y el brillo de la fosforescencia, extender aún más la vida útil y ampliar la gama de colores de emisión y las estrategias de mezcla de colores podrían hacer que el material sea aún más atractivo para aplicaciones prácticas. Además, es necesario evaluar cuidadosamente la estabilidad a largo plazo y el rendimiento de la madera transparente fosforescente en diferentes condiciones ambientales, como alta humedad, temperaturas extremas y exposición a los rayos UV, para garantizar su durabilidad y confiabilidad.
A pesar de estos desafíos, el trabajo del equipo de la Universidad Forestal de Beijing y la Universidad Tecnológica del Sur de China demuestra el vasto potencial de los materiales a base de madera para abordar la creciente demanda de tecnologías sostenibles, de alto rendimiento y multifuncionales. Al combinar las ventajas inherentes de la madera con funcionalidades químicas y físicas avanzadas, los investigadores están allanando el camino para una nueva generación de materiales inteligentes, ecológicos y versátiles que podrían transformar la forma en que vivimos, trabajamos y nos comunicamos.
A medida que la investigación en este campo continúa avanzando, podemos esperar ver desarrollos aún más interesantes en el futuro cercano. La integración de la madera transparente fosforescente con otras tecnologías emergentes, como células solares, sensores y dispositivos electrónicos, podría conducir a la creación de materiales verdaderamente multifuncionales, energéticamente eficientes e inteligentes que difuminen los límites entre naturaleza y tecnología. El impacto potencial de estas innovaciones en campos que van desde la arquitectura y el transporte hasta la salud y el entretenimiento es inmenso, y está claro que la madera, un material que ha sido utilizado por la humanidad durante milenios, todavía nos reserva muchas sorpresas.
El desarrollo de la madera transparente fosforescente representa un avance significativo en el campo de los materiales sostenibles y multifuncionales. Aprovechando las propiedades únicas de la madera e integrándolas con funcionalidades ópticas avanzadas, los investigadores han creado una nueva clase de materiales que combinan lo mejor de ambos mundos: la resistencia, durabilidad y sostenibilidad de la madera con la transparencia, fosforescencia y sintonizabilidad de los compuestos orgánicos. fósforos.
Si bien aún quedan desafíos por abordar, las aplicaciones potenciales de esta tecnología son vastas y emocionantes, y van desde edificios energéticamente eficientes y ventanas inteligentes hasta pantallas flexibles y etiquetas antifalsificación.
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry:
Nano-sociedad: empujando los límites de la tecnología,
Nanotecnología: el futuro es pequeñoy
Nanoingeniería: las habilidades y herramientas que hacen que la tecnología sea invisible
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