סיקור מקיף

חומרים אורגניים הזוהרים בחשיכה

חוקרים הצליחו לפתח, לראשונה אי פעם, חומרים הזוהרים בחשיכה ואשר מבוססים על מולקולות אורגניות. החומרים החדשים מיתרים את השימוש במתכות יקרות ואת תהליכי העיבוד בטמפרטורות גבוהות הנדרשות עבור הייצור של חומרים דומים קיימים. בנוסף להפחתת עלות ייצורם של חומרים אלו בהשוואה לקיימים כיום, החומרים האורגניים החדשניים אמורים לאפשר גם גמישות, שקיפות, ותאימות ביולוגית משופרות, תכונות שיובילו לפיתוחם של מגוון יישומים חדשים.

אילוסטרציה. צילום: U.S. Air Force photo/Staff Sgt. Luis Loza Gutierrez.
אילוסטרציה. צילום: U.S. Air Force photo/Staff Sgt. Luis Loza Gutierrez.

[תרגום מאת ד"ר נחמני משה]

חומרי צבע הזוהרים בחשיכה שהינם בעלי גמישות ושקיפות וגם זולים ופשוטים יותר לייצור נמצאים באופק, זאת תודות למחקר חדש שהתבצע באוניברסיטת Kyushu. במחקר פורץ דרך, החוקרים הצליחו להשיג פליטת אור יציבה למשך יותר משעה אחת מתוך חומרים אורגניים, פיתוח שיוכל להוות התקדמות חשובה במגוון יישומים חדשניים, למשל, בתחום של דימות ביולוגי.

על בסיס תהליך המכונה בשם 'נהורנות נמשכת' (persistent luminescence), חומרים זוהרים בחשיכה פועלים על ידי שחרור איטי של אנרגיה הנספגת מתוך האור שבסביבה. חומרים כאלו, המשמשים בשעוני יד ובשלטי חירום, מבוססים כיום על תרכובות אי-אורגניות וכוללים בתוכם מתכות נדירות כגון אירופיום ודיספרוסיום. יחד עם זאת, חומרים אלו הינם יקרים בערכם, דורשים תנאי טמפרטורה גבוהה לשם ייצורם, ומפזרים את האור – זאת בניגוד לתכונת השקיפות – כאשר טוחנים אותם לקבלת אבקה המשמשת בחומרי צביעה.

חומרים אורגניים המבוססים על פחמן – הדומים לאלו המשמשים בחומרי פלסטיק וצבענים – עשויים להתגבר על רבים מחסרונות אלו. הם יכולים להוות מקורות פליטת אור מעולים וכבר היום הם נפוצים בהתקנים כגון דיודות אורגניות פולטות אור (OLEDs). למרות זאת, השגת פליטה יציבה וארוכת טווח מהווה אתגר לא קטן, ומשך הפליטה הארוך ביותר מחומרים אורגניים בתנאים של תאורת פנים ובטמפרטורת החדר היה עד היום דקות אחדות בלבד. חוקרים מהמרכז למחקר פוטוניקה ואלקטרוניקה באוניברסיטת קיושו הצליחו להתגבר על סף זה תוך שימוש בתערובות פשוטות של שתי מולקולות מתאימות. בעזרת שכבות שנוצרו על ידי התכה יחדיו של מולקולות תורמות אלקטרונים בשילוב עם מולקולות קולטות אלקטרונים, הפליטה נותרה יציבה למשך יותר משעה, זאת ללא צורך בטמפרטורות גבוהות או תאורה חזקה. "חומרים אורגניים רבים יכולים לרתום אנרגיה הנקלטת מתוך תאורה בסביבתם תוך פליטת אור בצבע אחר, אולם, פליטת אור זו בדרך כלל מהירה מכיוון שהאנרגיה נשמרת ישירות בתוך המולקולות המייצרות את הפליטה", אומר הכותב הראשי של המאמר במסגרתו פורסמו הממצאים הללו. "בניגוד לכך, התערובות שלנו שומרות את האנרגיה בתוך מטענים חשמליים המופרדים לאורך מרחק גדול יותר. שלב נוסף זה מאפשר לנו להאט באופן ניכר את השחרור של האנרגיה בצורת אור, ובכך אנו משיגים את האפקט של חומרים הזוהרים בחשיכה".

דסקית עגולה של חומרים הזוהרים בחשיכה מוצגת בתאורת סביבה חלשה (למעלה) ובחשיכה לאחר חשיפה לקרינה על-סגולה (למטה). התהליך כולל חמישה שלבים: (1) קליטת אור על ידי מולקולה קולטת אלקטרונים תוך כדי יצירת צמד של מטען חיובי (חור) ומטען שלילי (אלקטרון חופשי); (2) האלקטרון החופשי נודד למולקולות אחרות; (3) האנרגיה העודפת כתוצאה מקליטת האור מופרדת כעת לאורך מרחק רב יחסית; (4) בסופו של התהליך הצמד אלקטרון-חור מתמזג יחדיו; (5) והאנרגיה העודפת ממיזוג זה נפלטת בצורת אור. [באדיבות: Ryota Kabe and William J. Potscavage Jr.]
דסקית עגולה של חומרים הזוהרים בחשיכה מוצגת בתאורת סביבה חלשה (למעלה) ובחשיכה לאחר חשיפה לקרינה על-סגולה (למטה). התהליך כולל חמישה שלבים: (1) קליטת אור על ידי מולקולה קולטת אלקטרונים תוך כדי יצירת צמד של מטען חיובי (חור) ומטען שלילי (אלקטרון חופשי); (2) האלקטרון החופשי נודד למולקולות אחרות; (3) האנרגיה העודפת כתוצאה מקליטת האור מופרדת כעת לאורך מרחק רב יחסית; (4) בסופו של התהליך הצמד אלקטרון-חור מתמזג יחדיו; (5) והאנרגיה העודפת ממיזוג זה נפלטת בצורת אור. [באדיבות: Ryota Kabe and William J. Potscavage Jr.]
בתוך התערובות, ספיגת האור על ידי מולקולה קולטת אלקטרונים תורמת למולקולה אנרגיה עודפת שבה ניתן להשתמש על מנת להרחיק אלקטרון מתוך מולקולה תורמת אלקטרונים. העברת האלקטרון יעילה באותו האופן שבו מטען חיובי מועבר במסלול ההפוך. האלקטרון העודף יכול בשלב הבא לדלג למולקולה אחרת ולהתרחק עוד יותר מהמולקולה הטעונה חיובית, ובכך להגדיל את המרחק בין המטענים. המטענים המופרדים מתחברים בחזרה בקצב הדרגתי, חלקם באיטיות וחלקם במהירות, כאשר השלב בו הם מתמזגים יחדיו מביא לשחרור האנרגיה העודפת שלהם בצורת אור, זאת למשך זמן של יותר משעה שלמה. הרכב החומרים והתהליכים להכנתם דומים לאלו שבבסיס תאים סולאריים אורגניים והתקני OLEDs. לאחר הצטברותם של מטענים מופרדים בדומה לשלב המתרחש בתא סולארי, המטענים נלכדים ובסופו של דבר מתמזגים יחדיו תוך כדי פליטת אור, בדיוק כמו בהתקני OLED. ההבדל העיקרי בתערובות החדשניות טמון בעובדה כי המטענים בתוכן יכולים להתקיים במצב מופרד למשכי זמן ארוכים יחסית. "אנו סבורים כי לחומרים האורגניים שלנו תהיה יכולת גדולה להפחית את העלות של חומרים זוהרים בחשיכה, כך שהתחום הראשון שבו נראה את ההשפעה שלהם יהיה ביישומים המחייבים שטחים נרחבים, כגון מסדרונות שבהם מוצבים שלטים זוהרים או כבישים בעלי סימונים זוהרים שמטרתם להגביר את הבטיחות," אומר אחד מהחוקרים. "בשלב הבא נוכל להתחיל ולחשוב על ניצול התועלות שבחומרים האורגניים לשם פיתוחם של סיבים, אריגים וחלונות הזוהרים בחשיכה, או אפילו גלאים ביולוגיים לשם דימות רפואי".

האתגר העיקרי בהמשך הדרך להפיכתם של החומרים החדשניים ליעילים באופן מעשי הוא רגישות התהליך לחמצן ולמים. מחיצות מגינות מפני חמצן ומים כבר משמשות היום ברכיבי אלקטרוניקה אורגניים ובחומרים אי-אורגניים הזוהרים בחשיכה, כך שהחוקרים משוכנעים שהם יוכלו למצוא פתרון לאתגר זה. בו בזמן, החוקרים גם תרים אחר מבנים מולקולאריים חדשים שיוכלו להגביר את משך הפליטה ואת יעילותה, ובנוסף, שיאפשרו שינוי של בצע האור הנפלט.

תקציר המאמר

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

תגובה אחת

  1. רבותיי, מדוע אף אחד לא קם ואומר שמה שיש פה זו פשוט פוספורוסנציה? הרי פוספורוסנציה יכולה להימשך לעיתים שעות (בניגוד לפלואורוסנציה שנמשכת חלקי שניות)! כשמדובר בפוספורוסנציה (אשר זה המקרה הנוכחי), פליטת האור נעשית בצורה איטית בשל דעיכות האלקטרונים (באטום/מולקולה) הנובעות ממעברים אסורים בין האורביטלים. הסיבה שהמעברים הללו הם "אסורים" נובעת מטעמי סימטריה, ומיעוט האלקטרונים ש"עוברים על החוק" היא קטנה יחסית (= יש פליטת אור חלשה) אך כל הזמן יש עוד ועוד אלקטרונים "עבריינים" כאלה ולכן מתקיימת הארה למשך שעות אחדות.
    בקיצור: מזל טוב לחוקרים היפנים על העבודה שביצעו, אך הם גילו את הגלגל הזה באיחור של מספר עשרות שנים. חבל…

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

לוגו אתר הידען
דילוג לתוכן