Gli scienziati stanno esaminando pellicole trasparenti luminescenti da utilizzare in display ad alta efficienza energetica (come schermi a LED) e altre applicazioni, e le possibilità che apre per avanzare metodologie in diversi campi della ricerca biologica ed elettronica. Però, sebbene siano stati sviluppati film solidi trasparenti che emettono multicolori, trovare modi efficienti per regolare il colore e l'intensità delle emissioni luminose è stato impegnativo.

Ora, in un recente articolo pubblicato sulla Royal Society of Chemistry's Progressi nei materiali , viene descritto un nuovo meccanismo per regolare facilmente la luminescenza di un materiale trasparente solido che emette luce appena modificato:si tratta semplicemente di modulare la sua concentrazione di protoni (o pH) tramite l'applicazione di una tensione.

Questo materiale è stato sviluppato nel laboratorio del professor Makoto Tadokoro, un chimico inorganico e scienziato dei materiali presso la Tokyo University of Science in Giappone. Il prof Tadokoro e il suo team, incluso il dottor Hajime Kamebuchi della Nihon University, Giappone, e il signor Taiho Yoshioka della Tokyo University of Science, iniziato con un film polimerico trasparente chiamato Nafion. I film di Nafion sono noti come conduttori di protoni (materiali in cui l'elettricità viene condotta attraverso il movimento di protoni) e scambiatori di cationi (materiali che attraggono prontamente particelle cariche positivamente). Queste due proprietà si sono rivelate fondamentali per il controllo della luminescenza offerto dal materiale che alla fine avrebbe aiutato a formare.

Una terza proprietà di Nafion che lo ha reso ancora più utile per il team del Prof Tadokoro è la sua struttura molecolare. La struttura di Nafion permetteva "complessi" di due metalli, terbio (Tb) ed europio (Eu), che sono noti per essere emettitori di luce, da incorporare in esso quando veniva immerso in una soluzione contenente i complessi metallici. Così, il processo di fabbricazione del materiale era semplice ed economico.

Quando il prodotto finale, un film polimerico contenente complessi metallici, è stato immerso in una soluzione acida (pH 2-5; donatore di protoni), è diventato verde. Immerso in una soluzione alcalina (pH 9-12; accettore di protoni), è diventato rosso. In una soluzione neutra (pH 6-8), è diventato giallo (una combinazione di rosso e verde).

L'analisi spettroscopica ha spiegato agli autori il motivo per cui si stavano verificando questi specifici cambiamenti di colore. Nelle soluzioni acide, i protoni captati da Nafion "accendevano" gli ioni metallici Tb, ma non gli ioni metallici Eu. Nelle soluzioni alcaline, Gli ioni metallici dell'UE hanno preso i riflettori e le emissioni degli ioni Tb sono state soppresse. Nelle soluzioni neutre, entrambe le luci emesse. Ciò ha confermato che il gradiente di concentrazione di protoni all'interno del materiale ne determinava la luminescenza.

Gli scienziati sono stati quindi in grado di regolare facilmente la luminescenza agganciando il materiale a una batteria dopo averlo immerso in una soluzione acida. La soluzione acida ha reso il materiale verde. Ma applicando una tensione, quando i protoni si spostano verso il lato caricato negativamente del materiale, il lato con carica positiva carente di protoni iniziò a diventare rosso. La parte centrale del materiale è diventata gialla. Il prof Tadokoro dice, "Pensiamo che questa sia stata la parte più impegnativa del nostro studio e, per inciso, anche il nostro più grande successo. La scoperta che il flusso di protoni in un mezzo solido sotto un campo elettrico può essere controllato, che a sua volta ci permette di controllare il 'colore' della luce emessa, è senza precedenti. Nei sistemi biologici, i flussi ionici sono responsabili di molte attività biochimiche essenziali. Gli "ioni a stato solido" da noi dimostrati possono trovare applicazioni in molti campi diversi".

Interrogato ulteriormente sul significato pratico del suo lavoro, Il prof Tadokoro dice, "I nostri risultati mostrano che è possibile fabbricare materiali economici in vetro o pellicola multicolori le cui emissioni possono essere regolate semplicemente applicando una tensione per controllare il flusso di protoni, e quindi gradiente protonico, all'interno del materiale. In altre parole, non solo conduzione di elettroni, ma la conduzione protonica può essere un modo per controllare la luminescenza dei materiali".

Ma, mentre questo studio è un grande passo avanti nel viaggio verso la realizzazione di emettitori trasparenti per un'ampia gamma di applicazioni, come il rilevamento di gradienti di pH nelle cellule biologiche o la costruzione di nuovi display e illuminatori, il dispositivo sviluppato qui non è ancora pronto per il mercato. Il prof Tadokoro dice, "Stiamo ora cercando di aggiungere un complesso che emette luce blu nel nostro sistema, in modo da poter ottenere un materiale in grado di emettere luce su tutto lo spettro visibile".

Una volta raggiunto ciò, le scienze saranno avanzate un po' di più, e una nuova generazione di materiali multicolori altamente sintonizzabili potrebbe non essere troppo lontana.