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SMILES 크리스탈은 현재까지 단위 부피당 가장 높은 밝기.
바이오 이미징, 염료 레이저, 태양 에너지를 포함 밝은 형광 또는 특수한 광학 특성이 필요한 모든 기술에 사용 가능. 새로운 3D 디스플레이, 조명 또는 광변색 유리로 전환할 수 있는 구성 요소에도 적용.

화학자들이 가장 밝은 형광 결정을 만들었다.
새로운 재료로 형광 고체를 간단하게 생산할 수 있다.

밝은 색상 :
화학자들이 완전히 새로운 유형의 형광 물질을 개발했다.
이 결정은 밝은 색상으로 빛나고 처음으로 간단하게 밝은 형광 고체를 생산할 수 있다.
이것은 고전적인 액체 형광 염료와 특수한 프레임(frame) 분자의 조합으로 가능해졌다.
새로운 형광 물질은 크리스탈에서 빛을 차단시키는 상호 작용을 방지한다.

▲ 이 빛나는 플라스틱 블록은 액체 형광 염료를 고체로 쉽게 변환하는 데 사용할 수있는 새로운 유형의 재료 SMILES 크리스탈에 의해 빛을 발하도록 만들어졌다. © Amar Flood

형광은 원자가 방사선에 의해 들뜬 다음 에너지를 광자로 방출할 때 발생한다.
이러한 형태의 조명은 자연에서 자주 발생한다. 기술과 과학 분야에 매우 중요하다.
액체 형광 마커는 분자, 세포 및 조직을 가시화하는 데 사용된다.
발광 다이오드는 이런 염료를 빛 도구로 활용한다. 형광은 광전지 및 광자에서 중요한 역할을 한다.

얼면 빛이 사라져

그러나 지금까지 알려진 1만 개의 형광 염료 모두 한 가지 큰 단점이 있다.
광도를 잃지 않고는 고체로 변환되거나 통합될 수 없다는 것이다.
그들이 결정질 형태로 변환되자마자 염료 분자는 서로 상호작용하기 시작해 양자 상태를 변경한다. 이것은 형광도 대부분 손실된다는 것을 의미한다.

"이 결합과 소위 담금질 문제는 염료 분자가 고체상태에서 소위 어깨를 나란히 하고 서 있기 때문에 발생한다"라고 아마르 플러드(Amar Flood, 인디애나 대학의 선임 저자)가 설명했다. “결과적으로 그들은 서로 영향을 주고 간섭할 수밖에 없다.”
화학적 침전물로 형광 염료를 일정한 거리를 유지시키려는 시도가 있었지만 일반적으로 복잡한 변환이 필요하고 항상 성공적이지 않았다.

스페이서로서의 고리 분자

플러드(Flood), 첫 번째 저자 크리스토퍼 벤손(Christopher Benson)과 그들의 팀은 150년 된 이 문제에 대해 놀랍도록 간단한 해결책을 찾을 수 있었다.
"우리는 Small-Molecule Ionic Isolation Lattices (SMILES)라고 부르는 완전히 새로운 종류의 재료를 발견했다"라고 보고했다. 이 결정 격자는 고전적인 형광 염료가 묻혀있는 소위 시아노스타(cyanostars)라고 불리는 크고 무색의 고리 분자의 틀로 구성된다.

고리 모양의 프레임 워크 분자는 전기 화학적 특성으로 인해 절연체 역할을 하므로 염료 분자가 공간적으로 멀리 떨어져 있을 뿐만 아니라 서로 연결되어 있다.
연구진은 "우리가 알아낸 바와 같이, 이 염료의 전기 절연은 150년 된 방출-담금질 문제를 해결하기 위해 지금까지 빠진 중요한 원"라고 설명했다.

쉽게 혼합

새로운 SMILES 결정의 생산은 간단하다.
일반적인 양이온성 형광 염료만 있으면 되고 시아노스타(Cyanostar) 고리 분자 용액과 혼합된다.
초기 테스트에서 과학자들은 염료 레이저에도 사용되는 로다민-3B-과염소산 염료를 이용했다. 혼합 용액이 결정화되어 SMILES 물질을 형성할 때, 고리 분자에 의해 염료가 서로 효과적으로 분리되는 고체가 형성되었다.

이러한 방식으로 생성된 결정은 액체 시작 염료만큼 강렬하게 형광을 발한다.
연구자들에 따르면 결정의 방출 수율은 29%로 시아노스타가 없는 순수한 염료 결정보다 10배 더 높았다. 이러한 높은 수준의 형광을 가진 박막도 이 혼합물에서 생성될 수 있다.
보충 테스트에 따르면 이 원리는 여러 가지 큰 종류의 상업용 형광제의 염료와 함께 작동한다.

▲ 이 3D 프린팅 분자 모델은 형광 분자와 그 사이의 투명한 시아노스타(Cyanostar) 스페이서를 보여준다. 이것이 SMILE 재료가 구조화되는 방식이다. © Amar Flood

SMILES 자료는 "플러그 앤 플레이"

“SMILES 크리스탈은 현재까지 단위 부피당 가장 높은 밝기를 가지고 있으며 일반 상업용 염료에 이 기능을 제공한다”라고 과학자들은 말한다.
높은 광 수율을 위해 재료를 사전에 변환, 세척 또는 최적화할 필요가 없다.
"이 자료는 소위 '플러그 앤 플레이' 이다"라고 그들은 설명했다.

또 다른 장점은 액체 염료를 고체로 변환할 때 색상 충실도가 높다는 것이다.
녹색으로 빛나는 시아닌을 박막으로 만들려고 하면 분자간의 상호 작용으로 인해 형광이 녹색에서 주황색으로 바뀐다. Benson과 그의 동료들은 “Cyanostar를 추가한 다음 SMILES 박막을 만들면 원래 녹색이 유지된다”고 설명했다.

다양한 적용가능 프로그램

연구자들에 따르면, 이 새로운 종류의 형광 고체는 응용분야는 매우 다양하다.
"바이오 이미징, 염료 레이저 또는 태양 에너지를 포함하여 밝은 형광 또는 특수한 광학 특성이 필요한 모든 기술에 사용할 수 있다"라고 플러드(Flood)는 말했다.
새로운 3D 디스플레이, 조명 또는 광변색 유리로 전환할 수 있는 구성 요소도 SMILES로 최적화 할 수 있다.

테스트에서 과학자들은 이미 SMILES 결정을 다양한 일반 플라스틱에 성공적으로 통합하여 형광 플라스틱 물체를 만들었다. 연구원들은 다양한 SMILES 재료의 특성을 더 자세히 조사하려고 한다.
"이 재료는 완전히 새로운 것이므로 어디까지가 한계인지, 어떤 특성과 변형이 최상의 기능을 제공하는지 정확히 알지 못한다"라고 Flood는 강조했다.
(Chem, 2020; doi : 10.1016 / j.chempr.2020.06.029)

출처 : Cell Press

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