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(Foco Nanowerk) En la búsqueda de materiales sostenibles y multifuncionales, la madera se ha convertido en un candidato ideal debido a su combinación única de resistencia, durabilidad y renovabilidad. Pero a pesar de sus muchas propiedades deseables, la madera se ha visto obstaculizada durante mucho tiempo por su opacidad, lo que limita sus aplicaciones potenciales en áreas como edificios energéticamente eficientes, paneles solares y dispositivos emisores de luz.
Para superar esta limitación, los investigadores han desarrollado varias estrategias para hacer que la madera sea transparente preservando al mismo tiempo su integridad mecánica. Por lo general, esto implica eliminar el componente de lignina que absorbe la luz y reemplazarlo con una matriz polimérica transparente.
Si bien la madera transparente en sí misma representa un avance significativo, la capacidad de dotarla de funcionalidades adicionales, como la fosforescencia a temperatura ambiente, sigue siendo un desafío. La fosforescencia a temperatura ambiente, la emisión de luz que persiste después de eliminar la fuente de excitación, tiene numerosas aplicaciones potenciales, que incluyen señalización de emergencia, etiquetas a prueba de manipulaciones e iluminación decorativa. Sin embargo, la mayoría de los materiales que experimentan este fenómeno son compuestos inorgánicos u organometálicos, que pueden resultar costosos, tóxicos y difíciles de procesar. Los compuestos orgánicos, por otro lado, a menudo sufren de emisiones débiles y vidas cortas debido al cruce ineficiente entre sistemas y a las rutas de desintegración no radiativa.
Para superar estas limitaciones, los investigadores han explorado varias estrategias para mejorar la fosforescencia de materiales orgánicos a temperatura ambiente, como la ingeniería de cristales, la complejación huésped-huésped y la encapsulación de una matriz polimérica. Aunque estos enfoques han dado resultados prometedores, a menudo requieren una síntesis compleja, un control preciso de la disposición molecular o el uso de iones metálicos raros y costosos. Además, la integración de estos materiales fosforescentes en aplicaciones prácticas a gran escala sigue siendo un gran desafío.
Los avances recientes en el campo de la electrónica orgánica han proporcionado nuevos conocimientos sobre el diseño y la síntesis de fósforos orgánicos eficientes y estables. En particular, se ha demostrado que el uso de estructuras rígidas conjugadas en π con átomos pesados o grupos carbonilo aumenta el cruce entre sistemas y reduce la desintegración no radiativa. Además, se descubrió que la incorporación de estos fósforos en matrices poliméricas con altas temperaturas de transición vítrea y baja permeabilidad al oxígeno mejora su estabilidad y rendimiento en condiciones ambientales.
Sobre la base de estos desarrollos, un equipo de investigadores de la Universidad Forestal de Beijing y la Universidad Tecnológica del Sur de China ha dado un importante paso adelante al integrar con éxito fósforos orgánicos en madera transparente, creando una nueva clase de materiales sostenibles y multifuncionales con propiedades sintonizables y duraderas. Los efectos crearon fosforescencia a temperatura ambiente. Su enfoque innovador, que implica el enlace covalente de ácidos arilborónicos con las fibras de celulosa y la matriz de alcohol polivinílico dentro de la estructura de la madera, no sólo supera las limitaciones de los fósforos orgánicos anteriores, sino que también explota las propiedades únicas de la madera para mejorar las propiedades ópticas y mecánicas. comportamiento del material resultante de la madera.
La investigación fue publicada en Pequeñas estructuras (“Fosforescencia colorida a temperatura ambiente con resplandor blanco de madera transparente mecánicamente robusta para iluminación retardada”).
La clave del éxito de este enfoque reside en la formación de enlaces covalentes entre los átomos de boro de los ácidos arilborónicos y los átomos de oxígeno del alcohol polivinílico y las fibras de celulosa. Estos enlaces B O cumplen dos funciones cruciales: anclan las moléculas fosforescentes en la estructura de la madera, evitando que se filtren con el tiempo, y crean una red rígida y densa de enlaces de hidrógeno que suprime los movimientos moleculares y estabiliza el triplete responsable de la fosforescencia: los excitones. Al seleccionar cuidadosamente ácidos arilborónicos con diferentes estructuras conjugadas π, como bifenilo, fenantreno y pireno, los investigadores pudieron ajustar el color de la fosforescencia de azul a verde y rojo con una vida útil de 0,21 a 2,13 segundos.
Las muestras de madera transparente preparadas con este método mostraron propiedades ópticas y mecánicas notables. Los valores de transmisión alcanzaron hasta el 90%, dando al material una alta transparencia, mientras que las resistencias a la tracción alcanzaron hasta 154 MPa, superando con creces las de la mayoría de los polímeros y plásticos. Esta combinación de claridad óptica y robustez mecánica es un avance significativo, ya que abre nuevas posibilidades para el uso de materiales a base de madera en aplicaciones que requieren transparencia y resistencia, como ventanas energéticamente eficientes, células solares y pantallas flexibles.
Otro logro impresionante de este trabajo fue la generación de fosforescencia de luz blanca dopando una muestra de madera transparente que emite azul con una pequeña cantidad del tinte rojo rodamina 6G. A través de un proceso conocido como transferencia de energía por resonancia de Förster (FRET), los excitones tripletes del donante de ácido arilborónico transfirieron eficientemente su energía al estado excitado singlete del aceptor de rodamina 6G, lo que dio como resultado una mezcla equilibrada de emisión azul y roja que parecía blanca para el ojo. Esta madera transparente que emite luz blanca tenía una vida útil de fosforescencia de 1,85 segundos y una coordenada de color cercana a la de la luz blanca normal, lo que la hacía particularmente atractiva para aplicaciones en iluminación y pantallas de estado sólido.
Para demostrar el potencial práctico de su madera transparente fosforescente, los investigadores fabricaron varios dispositivos de prueba de concepto, incluidas ventanas inteligentes que podrían proporcionar luz ambiental después de la exposición a la luz solar durante el día y paneles de iluminación retardados que sirven como señales de emergencia que podrían o elementos decorativos, así como etiquetas a prueba de manipulaciones que revelan patrones ocultos cuando se retira la fuente de estimulación. Estas demostraciones resaltan la versatilidad del material y su potencial de integración en una amplia gama de productos y sistemas, desde materiales de construcción hasta productos de consumo.
Aunque el desarrollo de la madera transparente fosforescente representa un hito importante, aún es necesario superar varios desafíos para mejorar aún más su rendimiento y ampliar su aplicabilidad. Por ejemplo, mejorar la eficiencia y el brillo de la fosforescencia, extender aún más la vida útil y ampliar la gama de colores de emisión y las estrategias de mezcla de colores podrían hacer que el material sea aún más atractivo para aplicaciones prácticas. Además, la estabilidad a largo plazo y el rendimiento de la madera transparente fosforescente en diversas condiciones ambientales, como alta humedad, temperaturas extremas e irradiación UV, deben evaluarse cuidadosamente para garantizar su durabilidad y confiabilidad.
A pesar de estos desafíos, el trabajo del equipo de la Universidad Forestal de Beijing y la Universidad Tecnológica del Sur de China muestra el enorme potencial de los materiales a base de madera para satisfacer la creciente demanda de tecnologías sostenibles, multifuncionales y de alto rendimiento. Al combinar los beneficios inherentes de la madera con funcionalidades químicas y físicas avanzadas, los investigadores están allanando el camino para una nueva generación de materiales inteligentes, versátiles y respetuosos con el medio ambiente que podrían transformar la forma en que vivimos, trabajamos y nos comunicamos.
A medida que la investigación en esta área continúa avanzando, podemos esperar desarrollos aún más interesantes en el futuro cercano. La integración de la madera transparente fosforescente con otras nuevas tecnologías, como células solares, sensores y dispositivos electrónicos, podría conducir a la creación de materiales verdaderamente multifuncionales, energéticamente eficientes e inteligentes que difuminen los límites entre naturaleza y tecnología. El impacto potencial de estas innovaciones en áreas que van desde la arquitectura y el transporte hasta la atención médica y el entretenimiento es inmenso, y está claro que la madera, un material utilizado por la humanidad durante milenios, todavía nos reserva muchas sorpresas.
El desarrollo de la madera transparente fosforescente representa un avance significativo en el campo de los materiales sostenibles y multifuncionales. Al aprovechar las propiedades únicas de la madera e integrarlas con funcionalidades ópticas avanzadas, los investigadores han creado una nueva clase de materiales que combina lo mejor de ambos mundos: la resistencia, durabilidad y sostenibilidad de la madera con la transparencia, fosforescencia y ajustabilidad de los fósforos de materiales orgánicos.
Aunque todavía quedan desafíos por superar, las aplicaciones potenciales de esta tecnología son extensas y emocionantes, y van desde edificios energéticamente eficientes y ventanas inteligentes hasta pantallas flexibles y etiquetas a prueba de manipulaciones. A medida que la investigación en esta área continúa avanzando, podemos esperar desarrollos aún más innovadores y transformadores que traspasen los límites de lo que es posible con los materiales a base de madera.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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