외부 염화물 음이온 처리로 활성화된 천연 목재의 상온 인광

Jun 20, 2023

Nature Communications 14권, 기사 번호: 2614(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

천연 자원으로부터 잔광 실온 인광(RTP)을 생성하는 것은 지속 가능한 RTP 재료에 대한 매력적인 접근 방식입니다. 그러나 천연자원을 RTP 재료로 전환하려면 독성 시약이나 복잡한 처리가 필요한 경우가 많습니다. 여기서 우리는 천연 목재를 염화마그네슘으로 처리하여 실행 가능한 RTP 재료로 전환할 수 있음을 보고합니다. 구체적으로, 천연 목재를 실온에서 MgCl2 수용액에 담그면 스핀 궤도 결합(SOC)을 촉진하고 RTP 수명을 늘리는 역할을 하는 염화물 음이온이 포함된 소위 C-우드가 생성됩니다. 이러한 방식으로 생산된 C-우드는 약 297ms의 수명으로 강력한 RTP 방출을 나타냅니다(천연 목재의 경우 약 17.5ms). 잠재적인 유용성을 입증하기 위해 원래 조각품에 MgCl2 용액을 뿌리기만 하면 잔광 나무 조각품이 현장에서 준비됩니다. C-우드는 또한 폴리프로필렌(PP)과 혼합되어 3D 프린팅을 통한 발광 플라스틱 제조에 적합한 인쇄 가능한 잔광 섬유를 생성했습니다. 우리는 본 연구가 지속 가능한 RTP 재료의 개발을 촉진할 것으로 기대합니다.

잔광 실온 인광(RTP) 방출은 여기 소스를 제거한 후 100ms 이상 지속되는 방출로 정의됩니다1. 잔광 RTP 방출을 갖는 재료는 긴 수명, 큰 스톡스 이동 및 우수한 신호 대 잡음비를 나타냅니다. 종종 육안으로 쉽게 시각화할 수 있습니다. 이러한 특성으로 인해 RTP 소재는 시각적 장식, 광학 감지, 생물학적 이미징 및 정보 암호화2,3,4,5,6를 포함한 다양한 응용 분야에 사용하기에 매력적입니다. 천연 자원에서 파생된 유기 잔광 RTP 재료는 지속 가능하고 유연하며 생체 적합성이 있고 규모에 맞게 이용 가능하다고 예상되기 때문에 특히 관심을 끌고 있습니다7,8.

지속 가능한 잔광 RTP 재료를 얻으려면 두 가지 중요한 장벽을 극복해야 합니다9,10,11. 첫째, 소스 물질에 내재된 발색단의 삼중항 여기자는 단일항 여기자에서 삼중항 여기자까지 ISC를 촉진하여 효과적으로 채워져야 하며, 이는 일반적으로 효율적인 스핀-궤도 결합(SOC)이 필요합니다. 둘째, 생성된 삼중항 엑시톤의 비방사성 비활성화를 억제해야 합니다.

이러한 원칙에 따라 효과적이고 지속 가능한 잔광 RTP 재료를 제작하기 위한 두 가지 일반적인 전략이 추구되었습니다. 첫 번째 접근 방식은 바이오매스 물질(예: 젤라틴, 셀룰로오스, 왕겨)을 효율적인 SOC가 부여된 탄소 도트로 변환하는 것입니다. 이 점들은 삼중항 엑시톤을 안정화하기 위해 유기 매트릭스에 국한됩니다. 또 다른 전략은 리그닌, 젤라틴, 셀룰로오스와 같은 처리되지 않은 천연 물질을 단단한 매트릭스 내에 통합된 발색단으로 직접 사용하는 것입니다. 그러나 이러한 지속 가능한 RTP 시스템의 제작에는 일반적으로 독성 시약, 에너지 소비 프로세스 또는 대규모로 수행하기 어려운 복잡한 절차의 사용이 포함됩니다. 예를 들어, 이전 연구에서 우리는 NaOH와 농축된 H2O225의 도움을 받는 리그닌 산화를 사용하여 목재를 구조적 RTP 재료로 전환했습니다. 그러나 농축된 H2O2가 포함된 목재를 오븐에서 고온으로 건조하는 것은 매우 위험합니다(폭발 가능성). 또한 리그닌의 산화는 목재의 물리화학적 안정성을 파괴합니다26,27,28,29. 결과적으로 잔광 RTP 재료를 지속 가능한 소스로부터 편리하고 비용 효율적으로 준비할 수 있는 방법이 여전히 필요합니다.

위의 문제를 해결하기 위해 우리는 나무에 끌렸습니다. 목재는 짧은 인광(~17-30ms)을 나타내는 주로 재생 가능한 자원이며, 이는 관련 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스 매트릭스 내에 리그닌이 갇혀 있기 때문입니다25,30,31. 이전 보고서에 따르면 인광 발색단의 수명은 중원자 염32,33,34, 특정 소분자35,36,37,38,39 또는 폴리머40,41,42로 처리하여 향상될 수 있습니다. 그러나 이러한 접근법은 천연 목재 기반 잔광 RTP 재료를 온화한 방식으로 생성하기 위해 광범위하게 활용되지 않았습니다. 아래에 자세히 설명된 바와 같이, 우리는 실온에서 2초 동안 1M 염화마그네슘 수용액으로 처리하여 천연 목재의 수명을 ~17.5ms에서 ~297ms로 성공적으로 향상시켰습니다(그림 1a). 획득된 염화이온 함유 목재(C-wood)는 매우 긴 잔광 방출을 나타냈습니다. C-목재를 신속하고 재현성 있게 준비하기 위해(그림 1b), 우리는 원목을 로봇으로 조작하고 MgCl2 수용액에 담근 후 운송 및 건조 라인에 배치하는 자동 제조 라인을 개발했습니다. (그림 1c 및 보충 영화 1). 우리는 또한 C-wood가 폴리프로필렌(PP)을 사용하여 잔광 섬유로 변환되어 3D 프린팅에 사용될 수 있음을 발견했습니다.