蛍光は一般的に気体や液体に関連付けられるが、化学者のチームが固体材料に特徴的な蛍光の輝きを与える新しい式を考案した。
科学誌「Chem」に本日掲載された新たな研究論文では、「SMILES」と名付けられた新開発材料が報告されています。この材料は、紫外線下で非常に明るい蛍光を発する固体結晶状態へと変化します。この新しい材料は、太陽光発電や固体レーザーからバイオイメージング、3Dディスプレイ技術に至るまで、幅広い用途に応用できる可能性があります。つまり、明るい蛍光を必要とするあらゆる技術に応用できるということです。
蛍光とは、紫外線などの目に見えない短波長の放射線を吸収した後、可視光を発する化学物質の一種です。これは通常、気体や液体で実現されますが、インディアナ大学の化学者で本研究の共同筆頭著者であるアマー・フラッド氏によると、これらの物質は封じ込めや製造が難しく、技術と融合させた場合、理想的な物質状態とは言えません。実際、気体や液体は漏れやすいなど、様々な欠点があります。
一方、固体は「より多くの蛍光色素分子をより小さな空間に詰め込むことができるため、フットプリントが小さくなります」とフラッド氏はメールで説明した。「例えば、小さな氷1個は溶けて大さじ1杯の液体の水になり、同じ量の氷はガス化するとビーチボールほどの大きさに膨張します。」
堅固な材料が好まれるのは確実性のためでもあると彼は言う。
「固体では、物がどこにあるのかが分かります。なぜなら、それらは動かないからです」とフラッド氏は説明した。「ですから、固体内部の構造を制御できるようになるため、固体の特性を設計し始めることがより魅力的になります。」
固体蛍光材料の開発は、「消光」と呼ばれる現象のため、化学者にとっていわば聖杯のような存在です。これは、蛍光染料が固体状態になった後、互いに押しつぶされて鈍い光を発する現象です。この近接性により干渉が生じ、染料は独立した成分として機能しなくなります。残念ながら、「染料を固体に入れると、染料は互いに結合して蛍光を発しなくなり、予期せぬ色の変化も起こします」とフラッド氏は述べています。
この問題を解決するため、フラッド氏はコペンハーゲン大学の共著者であるボー・ローセン氏の協力を得て、有色染料をシアノスターと呼ばれる星型分子を含む無色の溶液と混合しました。これにより、染料が固体状態に変換される際に蛍光染料間の不要な相互作用を防ぎ、染料の蛍光特性を維持することができました。この固体混合物はSMILES（小分子イオン性隔離格子）と呼ばれ、実質的に格子状の構造を形成し、その中で染料は無傷のまま孤立した状態を保つことができました。
化学者たちはSMILES材料を使って、紫外線の下で光るジャイロイドと呼ばれる3Dプリント物体を作成した。
明るい蛍光素材はこれまでにも作られてきたが、フラッド氏は試行錯誤を繰り返しながら開発されたため、それを「一回限りのもの」、さらには「まぐれ当たり」とさえ表現した。
「設計ルールを提供することで、プロセスを確実に実行可能にします」と彼は述べ、決定的なブレークスルーは「階層的自己組織化、つまり固体を規則的な格子に形成させる方法」を探求することだったと付け加えた。その鍵となるのは、無色のシアノスターだ。その結果、「シアノスターはチェッカーボード状の格子を形成するものの、分離以外の役割は果たさない」ため、固体内では色素が「互いに干渉して蛍光を消したり色を変えたりすることはもはやない」とフラッド氏は説明した。
https://gizmodo.com/the-quest-for-the-most-elusive-material-in-physics-1833846121
テストでは、この新素材は医療診断に使われるセレン化カドミウム量子ドットと呼ばれる基準素材よりも30倍明るいことがわかった。
今後、フラッド氏と彼の同僚は、この新しい素材の許容範囲と機械的特性を調査し、幅広い用途への適合性を判断する予定です。
