UACH > VÝZKUM > Chemie sloučenin bóru > Boranové lasery

Boranové lasery

Kontaktní osoba: Michael Londesborough

Emise z elektronicky excitovaných částic tvoří základ důležité třídy světelných zdrojů – laserů. Široce laditelná, účinná a fotostabilní laserová zařízení mají dalekosáhlá využití v mnoha oblastech, od spektroskopie a zpracování materiálů až po podvodní komunikaci, biotechnologie a medicínu, a proto je jejich vývoj a optimalizace důležitým vědeckým cílem.

Dosud byla většina pozornosti zaměřena na vývoj materiálů na bázi organických látek, jako jsou laserová barviva, konjugované polymery a oligomery, nebo na anorganické koloidní kvantové tečky a organicko-anorganické halidové perovskity. Přestože tyto materiály poskytují vysoce účinnou a laditelnou emisi, stále existují významné nevýhody, které brání jejich širokému komerčnímu využití, jako je nízká rozpustnost v běžných rozpouštědlech a polymerech, nízká chemická stabilita a/nebo fotostabilita a/nebo složité a nákladné syntetické postupy. Ve snaze překonat tyto omezení a nabídnout zcela nová řešení pro materiály určené pro modré lasery jsme svou pozornost zaměřili na borany (hydridy bóru), skupinu anorganických sloučenin, které dosud nebyly v laserové technologii využívány.

Nedávno jsme popsali fotofyzikální vlastnosti boranu anti-B18H22 a zjistili jsme, že vykazuje intenzivní modrou fluorescenci s kvantovým výtěžkem blížícím se jedné (ΦF = 0,97).1 Také jsme prokázali, že roztoky anti-B18H22 vykazují laserovou emisi s dobrou účinností a mimořádnou odolností vůči fotodegradaci ve srovnání s komerčními organickými laserovými barvivy, což z něj činí první laserový boran.

Naše současné výzkumy navazují na tyto slibné začátky a snaží se plně porozumět potenciálu a omezením této i dalším novým luminiscenčním boranovým molekulám, stejně jako novým boranem modifikovaným nanotečkám a nanočásticím na základní úrovni. Cílem je maximalizovat účinnost laseru a jeho fotostabilitu a nabídnout emisi na laditelných vlnových délkách.

Těchto cílů hodláme dosáhnout důkladným porozuměním fotofyzikálním a fotochemickým vlastnostem anti-B18H22 a zkoumáním vlivu chemických substitucí a změn na absorpční a emisní charakteristiky tohoto i příbuzných boranů.3–5 Úspěšné splnění těchto cílů posílí vyhlídky boranů jako nových a konkurenceschopných alternativ k současným organickým laserovým barvivům.

Co jsou borany?

Bór má o jeden valenční elektron méně, než je počet jeho valenčních orbitalů. Díky tomu je jediným elektronově deficitním nekovem, což nutí jeho hydridy sdílet elektronovou hustotu sféricky aromatickým, delokalizovaným způsobem. Toho dosahují tvorbou molekul s polyedrickou klastrovou geometrií. Tyto geometrie představují architektonický „most“ ve strukturálním kontinuu, které se rozprostírá od vysoce kondenzovaných klastrů pozdních přechodných kovů až po otevřené řetězce a kruhové formace nalezené v uhlovodících.

Vzhledem k tomu, že chemické a fyzikální chování často závisí na struktuře, mají hydridy bóru, díky své jedinečné polyedrické molekulární geometrii, velký potenciál pro unikátní vlastnosti. Navíc je bór jediným lehkým prvkem se dvěma přirozeně se vyskytujícími izotopy, ¹⁰B a ¹¹B, což mu poskytuje zajímavé jaderné vlastnosti, které nejsou dostupné organickým systémům. Například mimořádně vysoký jaderný průřez ¹⁰B pro zachycení tepelných neutronů (více než 1000krát vyšší než u jakéhokoli sousedního prvku) činí sloučeniny obsahující bór užitečnými pro záchyt neutronů.

Publikace:

  1. Londesborough, M. G. S. et al., Distinct photophysics of the isomers of B18H22 explained. Inorg. Chem. 51, 1471-1479 (2012).
  2. Londesborough, M. G. S. et al., A Borane Laser. Nature Communications, 6:5958 (2015).
  3. Londesborough, M. G. S. et al., Tuning the Photophysical Properties of anti-B18H22: Efficient Intersystem Crossing between Excited Singlet and Triplet States in New 4,4'-(HS)2-anti-B18H20. Inorg. Chem., 52, 9266-9274, (2013).
  4. Londesborough, M. G. S. et al., Thermochromic Fluorescence from B18H20(NC5H5)2: An Inorganic–Organic Composite Luminescent Compound with an Unusual Molecular Geometry. Advanced Optical Materials, 5, 1600694, (2017).
  5. Londesborough, M. G. S. et al., The Interaction of anti-B18H22 with Light, Handbook of Boron Science With Applications in Organometallics, Catalysis, Materials and Medicine Volume 3: Boron in Materials Chemistry, World Scientific (Ed. N. S. Hosmane and R. Eagling), pg. 115-136, (2018).