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Public release date: 30-Apr-2014

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Universidad del País Vasco

Diseñan un nuevo material híbrido fluorescente que cambia de color con la dirección de la luz

La investigación del Grupo de Espectroscopía Molecular de la UPV/EHU, en colaboración con el CSIC, se publica en la revista ACS Photonics

Este comunicado está disponible en inglés.

El Grupo de Espectroscopía Molecular de la UPV/EHU, en colaboración con el Instituto de Catálisis y Petroleoquímica del CSIC, ha desarrollado un material híbrido altamente fluorescente que cambia de color según la polarización de la luz con la que se le ilumine. La investigación se ha publicado en ACS Photonics, la nueva revista de American Chemical Society dedicada en exclusiva a la Fotónica.

Los materiales híbridos, con una componente orgánica y otra inorgánica, buscan combinar los mejores atributos de ambas en un solo sistema. Laboratorios de todo el mundo trabajan en el desarrollo de nuevos materiales híbridos para aplicaciones tecnológicas, en especial, en las nanotecnologías, y se utilizan ya en materiales ligeros para coches, en equipos deportivos, en materiales biomiméticos, como prótesis, etcétera.

El material híbrido que buscaba el grupo de investigación del Departamento de Química Física debía cumplir una serie de requisitos muy específicos. Necesitaban que el material inorgánico anfitrión fuese una estructura cristalina con nanocanales paralelos, para que las moléculas del material orgánico huésped, un colorante, se pudieran alinear; necesitaban que el tamaño de los poros del anfitrión fuera inferior a 1nm (la millonésima parte de 1 milímetro) para que el colorante se ajustara estrechamente; necesitaban, por último, no uno, sino dos colorantes, de tamaño y forma similares, pero con propiedades ópticas complementarias que respondieran de forma diferente al ser estimuladas por la luz.

El principal reto era, por tanto, lograr ese ajuste perfecto entre la nanoestructura inorgánica y las moléculas de colorante. Lo consiguieron usando como material anfitrión un aluminofosfato (AIPO-11), que tiene un tamaño de poro idóneo para alojar colorantes con una estructura de tres anillos bencénicos fusionados, como son los elegidos: la pironina, de fluorescencia verde, y la acridina, de fluorescencia azul. "Los colorantes entran ordenados, se alinean a lo largo de los nanocanales, y sus propiedades fluorescentes se mejoran dentro de ellos", explica Virginia Martínez, investigadora Ramón y Cajal del grupo de Espectroscopía Molecular. La mejora se debe no solo a que se restringe la flexibilidad molecular del colorante, sino también a que este queda incluido de forma monomérica, es decir, entra en el canal en unidades separadas y gracias a ello son muy luminiscentes, pues la fluorescencia se pierde cuando se agregan.

Para conseguir ese ajuste perfecto, jugó un papel fundamental el procedimiento de síntesis. En los materiales híbridos fotoactivos, normalmente, la parte orgánica se introduce en la inorgánica desde la fase gas o líquida, mediante difusión, pero con ese método no se consigue el nivel de oclusión que esta investigación necesitaba. Así que optaron por introducir el colorante en el gel con el que se sintetiza el material inorgánico, de manera que a medida que el cristal crecía iba incorporando el cromóforo orgánico.

Al principio introdujeron un solo colorante, la pironina, y obtuvieron un material altamente luminiscente. De hecho, utilizando microscopia confocal de fluorescencia, registraron una alineación prácticamente total de las moléculas de colorante a lo largo del canal (razón dicroica de 40), un alineamiento que no se había reportado anteriormente.

A continuación, introdujeron a la vez la pironina y la acridina en el proceso de síntesis, y obtuvieron unos cristales rectangulares de 30x20 micras que cambiaban llamativamente de color según la polarización de la luz con la que se iluminaban: si estaba polarizada a lo largo del canal se veía verde; si era perpendicular, mostraba color azul. Este comportamiento indicaba que se producía una transferencia de energía entre los colorantes.

"La sintonización del color es, además, un proceso instantáneo y eficiente, completamente reversible y reproducible, con alta resistencia a la fatiga", señala Iñigo López Arbeloa. De ahí que las posibles aplicaciones de este tipo de materiales híbridos fotoactivos son múltiples: pueden ser utilizados como antenas en células fotovoltaicas, para almacenamiento de información, en cables fotónicos, en sistemas láser… De hecho, el nuevo material híbrido supone un avance en el desarrollo de láseres sintonizables en estado sólido, de gran interés biomédico, ya que son más fáciles de usar y menos contaminantes que los líquidos utilizados actualmente.

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Sobre el Grupo de Espectroscopía Molecular

El Grupo de Espectroscopía Molecular, que dirige el catedrático de la Facultad de Ciencia y Tecnología Iñigo López Arbeloa, está formado por tres profesores, un investigador Ramón y Cajal y otro Juan de la Cierva, además de cinco estudiantes predoctorales. El equipo cuenta con una amplia experiencia en materiales fotoactivos y su modelización avanzada con el fin de desarrollar láseres sintonizables, sistemas de antena para células fotovoltaicas y tratamiento fotodinámico del cáncer, así como en sensores fluorescentes.

En esta investigación, el Grupo de Espectroscopía se ha ocupado del diseño, caracterización y aplicabilidad del material, mientras que en el Instituto de Catálisis y Petroleoquímica del CSIS se ha hecho la síntesis y simulación teórica.

Referencia bibliográfica

Virginia Martinez-Martinez, Raquel Garcia, Luis Gomez-Hortiguela, Rebeca Sola Llano, Joaquin Perez-Pariente and Inigo Lopez-Arbeloa. "Highly Luminescent and Optically Switchable Hybrid Material by One Pot Encapsulation of Dyes into MgAPO-11 Unidirectional Nanopores". ACS photonics. (2014) 1(3) 205-211.



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