Fluoreszierendes Material 31.08.2020, 10:24 Uhr

3D-Druck: Faszinierendes Material speichert mehr Sonnenenergie

Ein neuartiges Material erlaubt erstmals die einfache Herstellung fluoreszierender Feststoffe – und das kommt der Gewinnung von Solarenergie zugute.

Bunte Neon-Kreis auf schwarzem Hintergrund

Ein neuartiges Material erlaubt erstmals die einfache Herstellung fluoreszierender Feststoffe.

Foto: panthermedia.net/AndrewLozovyi

Eine neue und zuverlässige Methode zur Herstellung fluoreszierender Feststoffe hat zu einem Durchbruch geführt: die hellste Klasse fluoreszierender Materialien wurde geschaffen. Die Materialien sind 3D-druckbar und könnten dazu beitragen, dass Kollektoren mehr Energie aus der Sonne gewinnen.

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Fluoreszierendes Material: Neuer Typ entwickelt

Chemiker haben einen ganz neuen Typ fluoreszierender Materialien entwickelt. Die Kristalle leuchten in den schönsten Farben und ermöglichen die einfache Herstellung von leuchtstarken Fluoreszenz-Feststoffen. Die Forscher machen dies durch die Kombination klassischer, flüssiger Fluoreszenz-Farbstoffe mit speziellen Gerüstmolekülen machbar. So werden leuchthemmende Wechselwirkungen im Kristall verhindert.

Es gibt rund 100.000 verschiedene Farbstoffe, die fluoreszieren können bzw. unter ultraviolettem Licht leuchten. Das liegt daran, dass einzelne Moleküle physikalisch weit voneinander entfernt sind, so Amar Flood von der Indiana University, Teil des Forschungsteams. „In Festkörpern sind die Partikel näher beieinander und stören sich gegenseitig, wodurch sie sich nicht mehr als Individuen verhalten“, erklärt Flood.

Problem beschäftigt Chemiker seit 150 Jahren

Laut dem Forscher von der Indiana University bedeutet dies, dass Materialien, die mit fluoreszierenden Farbstoffen hergestellt wurden, wie zum Beispiel Fasern in Textilien, nicht so fluoreszierend sind wie die Ausgangslösung. Dieses Problem beschäftigt Chemiker seit 150 Jahren.

Das Forscherteam um Flood hat nun einen Weg gefunden, um die Herausforderungen zu meistern. Die Forscher mischten Donut-förmige Moleküle, sogenannte Cyanosterne, mit den Farbstoffen. Die Methode des Teams kann die Herstellung fluoreszierender Feststoffe aus einem weitaus größeren Bereich von Farbstoffen vereinfachen.

„Wir haben eine ganz neue Klasse von Materialien entdeckt, die wir Small-Molecule Ionic Isolation Lattices (SMILES) nennen“, berichten die Forscher. Die Kristallgitter bestehen aus einem Gerüst von großen, farblosen Ringmolekülen (Cyanostars).

Die Cyanosterne sind in der Lage die positiv geladenen Farbstoffmoleküle weit voneinander entfernt zu halten, so dass sie ihre fluoreszierenden Eigenschaften beibehalten, obwohl sie sich in einem festen Zustand befinden. Bei dieser Umwandlung von flüssig zu fest geht zwar immer noch etwas Helligkeit verloren, sie verbessert jedoch frühere Verfahren um ein Vielfaches. Die Technik kann mit jedem positiv geladenen Farbstoff und in Verbindung mit 3D-Druck verwendet werden. Feststoffe leuchten danach besonders schön.

„Wie wir herausgefunden haben, ist diese elektrische Isolation der Farbstoffe das entscheidende, bislang fehlende Element, um das 150-Jahre alte Problem des Emissions-Quenchings zu lösen“, so die Forscher.

„SMILES-Kristalle haben die bislang höchste Helligkeit pro Volumeneinheit – und sie verleihen diese Fähigkeit ganz normalen kommerziellen Farbstoffen“, sagen die Wissenschaftler. Für die hohe Lichtausbeute müssen die Mittel vorher nicht umgewandelt werden. Ein weiterer Vorteil sei die hohe Farbtreue bei der Umwandlung des flüssigen Farbstoffs zum Feststoff.

Neuartige Methode steigert Gewinnung von Solarenergie

Die neuen Materialien können bei der Gewinnung von Solarenergie zum Einsatz kommen, findet Bo Laursen von der Universität Kopenhagen, ein weiterer Mitautor des Forschungspapiers. Er gibt an, dass die Solartechnik noch effektiver werden kann, indem Infrarotstrahlen von der Sonne in eine Form umgewandelt werden, die von Solarzellen erfasst werden kann. „Vieles hängt davon ab, dass fluoreszierende Materialien so fluoreszierend wie möglich sind“, sagt Laursen.

Der chemische Prozess zeigt, dass man Farbstoffe nehmen kann, die normalerweise in einem festen Zustand nicht fluoreszieren.

Laut den Forschern eröffnet die neue Klasse der Fluoreszenz-Feststoffe ein breites Anwendungsfeld.

„Sie können für jede Technologie eingesetzt werden, die helle Fluoreszenz benötigt oder spezielle optische Eigenschaften, darunter Bio-Imaging, Farbstoff-Laser oder die Solarenergie“, sagt Flood.

Was sind fluoreszierende Stoffe?

Unter Fluoreszenz versteht man, wenn Materialien mit Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt werden und einen Teil des Lichts zurücksenden. Ein fluoreszierender Stoff hört jedoch sofort auf zu leuchten, sobald auch die ihn anregende Lichtquelle versiegt. Optische Aufheller im T-Shirt gehören zum Beispiel zu den Fluoreszenzfarbstoffen. Diese Stoffe strahlen die eintreffende UV-Strahlung zurück. Auf unseren Euro-Geldscheinen finden sich ebenfalls fluoreszierende Stoffe. Im Hellen sind die Fluoreszenzfarben fast unsichtbar.

Wie funktioniert fluoreszierend?

Fluoreszenz entsteht, wenn Atome durch Strahlung angeregt werden. Die Energie wird dann als Photonen wieder abgeben. In der Natur kommt diese Form des Leuchtens oft vor. Flüssige Fluoreszenzmarker dienen in der Technik und Wissenschaft dazu, Moleküle, Zellen und Gewebe sichtbar zu machen. Leuchtdioden nutzen Farbstoffe als Leuchtmittel. In der Photovoltaik spielt Fluoreszenz ebenfalls eine bedeutende Rolle.

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