Fosforescência em temperatura ambiente de madeira natural ativada por tratamento externo com ânion cloreto

Jun 20, 2023

Nature Communications volume 14, Número do artigo: 2614 (2023) Citar este artigo

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Produzir fosforescência de temperatura ambiente (RTP) a partir de fontes naturais é uma abordagem atraente para materiais RTP sustentáveis. No entanto, a conversão de recursos naturais em materiais RTP geralmente requer reagentes tóxicos ou processamento complexo. Aqui relatamos que a madeira natural pode ser convertida em um material RTP viável por tratamento com cloreto de magnésio. Especificamente, a imersão de madeira natural em uma solução aquosa de MgCl2 à temperatura ambiente produz os chamados ânions de cloreto contendo madeira C que atuam para promover o acoplamento spin-órbita (SOC) e aumentar a vida útil do RTP. Produzida dessa maneira, a madeira C exibe uma emissão RTP intensa com uma vida útil de ~ 297 ms (vs. os ca. 17,5 ms observados para a madeira natural). Como demonstração da utilidade potencial, uma escultura de madeira pós-brilho é preparada in situ, simplesmente borrifando a escultura original com uma solução de MgCl2. A madeira C também foi misturada com polipropileno (PP) para gerar fibras pós-luminescência imprimíveis adequadas para a fabricação de plásticos luminescentes via impressão 3D. Prevemos que o presente estudo facilitará o desenvolvimento de materiais RTP sustentáveis.

A emissão de fosforescência em temperatura ambiente (RTP) pós-brilho é definida como uma emissão que dura mais de 100 ms após a remoção da fonte de excitação1. Os materiais com emissão RTP de pós-luminescência exibem vida útil longa, grandes deslocamentos de Stokes e boas relações sinal-ruído. Muitas vezes, eles podem ser visualizados facilmente a olho nu. Esses atributos tornaram os materiais RTP atraentes para uso em uma ampla variedade de aplicações, incluindo decorações visuais, detecção óptica, imagens biológicas e criptografia de informações2,3,4,5,6. Os materiais orgânicos RTP pós-luminescência derivados de fontes naturais são de particular interesse, pois espera-se que sejam sustentáveis, flexíveis, biocompatíveis e disponíveis em escala7,8.

Para obter materiais RTP sustentáveis, duas barreiras cruciais devem ser superadas9,10,11. Primeiro, os éxcitons tripletos dos cromóforos inerentes ao material de origem devem ser efetivamente preenchidos, facilitando o ISC de éxcitons singletos para excitons tripletos, o que normalmente requer acoplamento spin-órbita eficiente (SOC)12,13. Em segundo lugar, a desativação não radiativa dos excitons tripletos resultantes deve ser suprimida14,15,16,17,18.

Guiados por esses princípios, duas estratégias gerais para a fabricação de materiais de RTP pós-luminescência sustentáveis ​​eficazes foram adotadas. A primeira abordagem baseia-se na conversão de materiais de biomassa (como gelatina, celulose e casca de arroz) em pontos de carbono dotados de SOC eficiente; esses pontos são então confinados em uma matriz orgânica para estabilizar os éxcitons tripletos19,20,21. Outra estratégia envolve o uso de materiais naturais não tratados diretamente, como lignina, gelatina e celulose, como cromóforos incorporados a uma matriz rígida22,23,24,25. No entanto, a fabricação desses sistemas RTP sustentáveis ​​geralmente envolve o uso de reagentes tóxicos, processos que consomem energia ou procedimentos complexos que são difíceis de realizar em larga escala. Por exemplo, de nossa pesquisa anterior, convertemos madeira em materiais RTP estruturais usando oxidação de lignina assistida por NaOH e H2O225 concentrado. No entanto, a secagem da madeira concentrada com H2O2 no forno a altas temperaturas é muito perigosa (potencialmente explosiva). Além disso, a oxidação da lignina destrói a estabilidade físico-química da madeira26,27,28,29. Como resultado, permanece a necessidade de métodos que permitam que os materiais RTP pós-luminescência sejam preparados de forma conveniente e econômica a partir de fontes sustentáveis.

Para enfrentar o desafio acima, fomos atraídos pela madeira. A madeira é um recurso amplamente renovável que exibe fosforescência curta (~ 17–30 ms), um resultado atribuído ao confinamento da lignina na matriz de celulose e hemicelulose associada25,30,31. Relatórios anteriores indicaram que o tempo de vida dos cromóforos fosforescentes pode ser aumentado pelo tratamento com sais de átomos pesados32,33,34, certas pequenas moléculas35,36,37,38,39 ou polímeros40,41,42. No entanto, essas abordagens não foram extensivamente exploradas para a criação de materiais RTP pós-luminescência à base de madeira natural de maneira suave. Conforme detalhado abaixo, agora aumentamos com sucesso a vida útil da madeira natural de ~ 17,5 ms para ~ 297 ms, tratando com cloreto de magnésio aquoso 1 M por 2 segundos à temperatura ambiente (Fig. 1a). A madeira contendo íon cloreto conforme obtida (madeira C) exibiu emissão de pós-luminescência ultralonga. Com o objetivo de preparar a madeira C de forma rápida e reprodutível (Fig. 1b), desenvolvemos uma linha de fabricação automática em que a madeira de origem era manipulada por robôs e submetida à imersão em uma solução aquosa de MgCl2 antes de ser colocada na linha para transporte e secagem (Fig. 1c e Filme Suplementar 1). Também descobrimos que a madeira C pode ser convertida em fibras pós-luminescência usando polipropileno (PP), permitindo assim seu uso em impressão 3D.