پیشرفت‌های نوین در دینامیک حالت‌های برانگیخته و طراحی مواد

دینامیک حالت‌های برانگیخته و تأثیر آن بر خواص فلورسانس

دینامیک حالت‌های برانگیخته برای درک خواص فلورسانس در مولکول‌ها ضروری است و بر کاربردهای آن‌ها در فناوری‌ها تأثیر می‌گذارد. تحقیقات اخیر در دانشگاه شینشو به بررسی این موضوع می‌پردازد که چگونه ساختار و هندسه مولکولی بر انتشار نور در مولکول‌های ناشی از تجمع تأثیر می‌گذارد. این مطالعه نشان می‌دهد که تغییرات در شکل مولکولی، رفتار انتشار را در هر دو حالت محلول و جامد تحت تأثیر قرار می‌دهد. این بینش‌ها برای پیشبرد کاربردهایی مانند دیودهای نوری آلی و بیوانگاری بسیار حیاتی هستند و نوآوری‌هایی در طراحی مواد و تعاملات انرژی را ممکن می‌سازند.

انتشار نور از مولکول‌ها، به‌ویژه فلورسانس، بیش از یک قرن است که دانشمندان را مجذوب خود کرده و انقلابی در زمینه‌هایی مانند تصویربرداری، حسگری و فناوری‌های نمایش ایجاد کرده است. پیشرفت‌های اخیر توجه‌ها را به پدیده انتشار ناشی از تجمع (AIE) جلب کرده است؛ پدیده‌ای منحصر به فرد که در آن مولکول‌ها در حالت جامد یا تجمع‌یافته نور را به‌طور مؤثرتری منتشر می‌کنند. بنابراین، مطالعه دینامیک واکنش‌های زیر بنایی این پدیده برای درک تغییرات ساختاری مولکولی اهمیت دارد.

در یک مطالعه اخیر، محققان ژاپنی به بررسی کمپلکس‌های α-جایگزین دی‌بنزویلمتان‌توبورون دی‌فلوراید (BF₂DBM) پرداختند تا دریابند که چگونه هندسه مولکولی و دینامیک‌های برانگیخته بر AIE تأثیر می‌گذارند. یوشی فوجیموتو، نویسنده اصلی و دانشجوی دکتری در دپارتمان شیمی دانشگاه شینشو، می‌گوید: “پدیده AIE تا کنون تنها با محاسبات نظری شیمی کوانتومی توضیح داده شده است. اما در مطالعه ما، برای اولین بار این پدیده را با استفاده از دو طیف‌سنجی توضیح دادیم.”

این مطالعه در همکاری با دانشگاه اوزاکا و دانشگاه آویاما گاکوین انجام شد و نتایج آن در شماره ۴۷، جلد ۱۴۶ مجله انجمن شیمی آمریکا در تاریخ ۱۷ نوامبر ۲۰۲۴ منتشر شد. AIE پدیده‌ای جذاب است که رفتار متعارف خاموش شدن را که در بسیاری از مواد مشاهده می‌شود، به چالش می‌کشد. در اکثر مواقع، مولکول‌ها تمایل دارند در هنگام تجمع، درخشش خود را از دست بدهند به دلیل اثرات خاموشی. اما برخی مولکول‌ها که پدیده AIE را نشان می‌دهند، به جای کم‌نور شدن، نور منتشر می‌کنند. این امر به این دلیل است که در فرم جامد، مولکول‌ها نمی‌توانند به‌طور آزاد حرکت کنند. این محدودیت‌ها به آن‌ها کمک می‌کند تا نور منتشر کنند و انرژی را به روش‌های دیگر از دست ندهند.

مدل دسترسی محدود به تقاطع مخروطی و تأثیر آن بر تابش نور

این رفتار با مدل دسترسی محدود به تقاطع مخروطی (RACI) توضیح داده می‌شود که نحوه کنترل تغییرات ساختاری یک مولکول بر توانایی آن در انتشار نور را توصیف می‌کند. محققان این اثر را در مولکول‌های سنتز شده از مشتقات BF₂DBM، به‌ویژه ۲aBF₂ و ۲amBF₂ که مشتقات α-متیل‌دار بودند، نشان داده‌اند.

پروفسور هیروشی میاساکا، محقق معروف از دانشگاه اوساکا، توضیح می‌دهد: “ما اثرات AIE مولکول‌ها را در حالت‌های جامد و محلول با استفاده از تکنیک‌های پیشرفته‌ای مانند طیف‌سنجی UV-مرئی و فلورسانس، و همچنین طیف‌سنجی مرئی و مادون قرمز زمان‌حل بررسی کردیم تا رفتار تابش نور مولکول را در طول زمان مشاهده کنیم.”

مولکول اول، ۲aBF₂، در هر دو حالت محلول و جامد فلورسانس قوی از خود نشان داد، در حالی که مولکول دوم، ۲amBF₂، در محلول فلورسانس ضعیف‌تری داشت اما در حالت جامد تابش بسیار روشن‌تری را نشان داد. پروفسور اکیرا ساکاموتو از دانشگاه آویاما گاکوین این موضوع را روشن می‌کند و می‌گوید: “طیف‌سنجی، نامه‌ای است که از مولکول‌ها ارسال می‌شود. در اینجا، شکل مولکولی نقش حیاتی ایفا کرد؛ به طوری که ۲amBF₂ در محلول به شکل خمیده درآمد و این باعث از دست رفتن انرژی از طریق فرآیندهای غیر تابشی شد که منجر به فلورسانس ضعیف‌تر گردید. در حالت جامد، خمیدگی محدود شد و مولکول مجبور به حفظ ساختار پایدار شد که نور را منتشر می‌کرد.”

این مطالعه همچنین نشان می‌دهد که تغییرات سریعی در یک بازه زمانی کوتاه مشاهده شده است. در محلول‌ها، مولکول‌های ۲amBF₂ در عرض چند تریلیونیم ثانیه تغییر شکل داده‌اند. این انتقال‌های سریع به شکل‌های خمیده باعث از دست رفتن انرژی و کاهش فلورسانس شدند. این یافته‌ها تأثیرات قابل توجهی بر توسعه آینده دیودهای نوری آلی (OLED) و فناوری‌های بیوایمینگ دارند.

پروفسور فویوکی ایتو، یکی از نویسندگان این مقاله، اشاره می‌کند: “بررسی دینامیک حالت‌های برانگیخته برای بهبود خواص مواد تابش‌زا بسیار حیاتی است و می‌تواند به پیشرفت‌های بیشتری در کاربردهای OLED و بیوایمینگ منجر شود.” این بینش تأکید می‌کند که چگونه درک رفتار مولکولی در حالت‌های برانگیخته می‌تواند عملکرد و کارایی این فناوری‌های پیشرفته را بهبود بخشد.

با استفاده از طیف‌سنجی پیشرفته و ابزارهای محاسباتی، این تحقیق نور جدیدی بر نحوه تعامل مولکول‌ها با انرژی می‌افکند و درک ما از فلورسانس و کاربردهای عملی آن را عمیق‌تر می‌کند.