La emisión luminiscente en forma de fosforescencia ocurre comúnmente en la vida diaria como resultado de una probabilidad de transición mecánica cuántica pequeña. La vida útil de una emisión luminiscente puede durar desde microsegundos hasta varias horas. Popularmente conocido por su uso en productos que brillan en la oscuridad y como iluminadores de señales de emergencia en edificios públicos, también es un método práctico para el almacenamiento de información, incluida la detección y verificación de sellos. Si bien actualmente existen métodos de fabricación fáciles y rentables para diseñar sistemas de fosforescencia utilizando emisores orgánicos, lograr la fosforescencia orgánica visible en condiciones ambientales en el laboratorio para la traducción industrial es un desafío.

En un estudio reciente, ahora publicado en Avances de la ciencia , Max Gmelch y sus colegas de la Universidad Tecnológica de Dresde informan sobre un nuevo hito en el etiquetado luminiscente orgánico. Para esto, utilizaron una estructura de dispositivo simple hecha de materiales comúnmente disponibles para generar ultradelgados, Recubrimientos luminiscentes flexibles y transparentes. El dispositivo de etiquetado resultante fue rápido, con capacidad para imprimir más de 40 ciclos de información en cualquier sustrato de cualquier tamaño, en alta resolución. Los científicos usaron solo la luz, sin tinta, para imprimir un mensaje luminiscente en el material. El proceso sin contacto también podría borrar la imagen del mismo material. El concepto representa un método prometedor para producir etiquetas luminiscentes bajo demanda para almacenar información y reemplazar las técnicas de etiquetado convencionales.

En el estudio, Gmelch y col. utilizó una capa de material emisor ultrafino con un espesor de 900 nm, que contiene predominantemente poli (metacrilato de metilo) (PMMA), también conocido como vidrio acrílico. Incluían una molécula invitada conocida como NPB (N, N'-di (1-naftil) N, N'-difenil- (1, 1'-bifenil) -4, 4'-diamina), un material de transporte de orificios comúnmente disponible (extracción y transporte de carga) que se utiliza en la tecnología de diodos emisores de luz orgánicos (OLED). Los científicos diseñaron la fina capa translúcida para el etiquetado luminiscente combinando los dos materiales (PMMA:NPB). Dependiendo del sustrato de interés, el recubrimiento también se puede utilizar en una variedad de superficies diferentes mediante recubrimiento por rotación, recubrimiento por pulverización o recubrimiento por inmersión.

Los científicos observaron de larga duración fosforescencia a temperatura ambiente debido al acoplamiento de órbita de espín moderado y al empaquetamiento denso de los polímeros de PMMA en ausencia de oxígeno. Análogamente, para evitar la exposición de la capa emisora ​​de fosforescencia al oxígeno, Gmelch y col. depositó una capa de barrera al oxígeno de 600 nm de espesor encima de la muestra. Sin embargo, dado que los científicos fabricaron las muestras en condiciones ambientales, la capa emisora ​​contenía oxígeno molecular.

Después de la excitación con luz ultravioleta (longitud de onda de 365 nm), las moléculas de NPB alcanzaron su estado singlete excitado (S ₁ ), a partir del cual decayeron de nuevo al estado fundamental para emitir fluorescencia, o pobló el estado triple excitado T ₁ a través del cruce entre sistemas (un proceso de transición sin radiación entre dos estados electrónicos con espín diferente). Los niveles de energía experimentales observados se ajustan bien a los valores de la literatura. Un enfoque prometedor para el etiquetado basado en luz implica la eliminación local de oxígeno molecular mediante irradiación UV. Sin embargo, esta técnica solo se ha informado en solución hasta ahora. En el presente trabajo, Gmelch y col. implementó la técnica en la película sólida fina fabricada.

En este caso, los científicos excitaron experimentalmente el emisor NPB al estado triplete (T ₁ ) a partir del cual se extinguieron al interactuar con el triplete del estado fundamental del oxígeno molecular (T ₀ ). Por diseño, la densidad de oxígeno singlete excitado resultante disminuyó al interactuar con el entorno local del emisor, es decir, a través de la oxidación del material PMMA en los puntos de iluminación, dando lugar a la fosforescencia. La emisión fue inmediatamente visible durante una larga vida útil de τ =406 ms, después de apagar la iluminación UV. El proceso descrito por Gmelch et al. así activó la luminiscencia por primera vez al eliminar el oxígeno del interior de una película delgada. Utilizaron la tecnología del consumo de oxígeno dependiente de la luz ultravioleta como herramienta de escritura para crear una imagen en un sustrato / material.

Las imágenes fosforescentes se pueden borrar tan rápida y fácilmente aplicando luz infrarroja (IR) de una longitud de onda de 4 µm durante aproximadamente un minuto. En este caso, la radiación fue absorbida por el PMMA, y la temperatura aumentó aproximadamente a aproximadamente 90 grados C a 100 grados C, que fue lo suficientemente bajo para mantener la estabilidad térmica de todos los materiales utilizados en el estudio. La solidez de las capas de material se conservó bien durante todo el proceso de borrado, mientras que posteriormente se permitieron más ciclos de escritura y borrado.

Gmelch y col. observaron la intensidad decreciente de la fosforescencia durante cada ciclo debido al fotoblanqueo (degradación de las moléculas emisoras) y al consumo de oxígeno (debido al aumento de las pérdidas no radiativas debido al cambio de matriz). Todavía, incluso después de 40 ciclos, la tasa de emisión alcanzó el 40 por ciento de su valor inicial, suficientemente detectable por el ojo o la cámara.

Los valores de intensidad de la luz y el tiempo requerido para la iluminación presentados en el estudio estuvieron muy por debajo de los requeridos por técnicas anteriores, con potencial para aplicaciones industriales factibles. El estudio también mostró que una barrera de oxígeno imperfecta podría provocar la reaparición de oxígeno en las áreas activadas a tiempo. El tiempo necesario para la desaparición de la fosforescencia depende del grosor de la capa de barrera al oxígeno.

Por ejemplo, una capa centrifugada con un espesor de 600 nm presentó fosforescencia hasta cinco horas, mientras que aquellos con películas de barrera al oxígeno más gruesas (35 a 40 µm) extendieron el fenómeno a más de un día. Los científicos podrían aumentar los plazos de retención con un material de barrera mejorado o aumentando aún más el grosor del material. Para borrar rápidamente una impresión, los científicos utilizaron la recarga de oxígeno a través del calentamiento acelerado de la muestra con IR o una placa calefactora simple. Al igual que con la impresión, el tiempo necesario para la eliminación de la fosforescencia dependía del espesor y la temperatura de la capa de barrera.

Los científicos probaron una variedad de materiales de sustrato como superficies para la iluminación por fosforescencia. El trabajo incluyó fotografías habituales con el horizonte de la ciudad de Nueva York para aplicaciones de gran área. Dado que el recubrimiento de emisión era completamente invisible cuando estaba inactivo, los materiales sirvieron como sustrato para la proyección de subtítulos bajo demanda programable. Gmelch et al demostraron además la mayor transparencia del recubrimiento en comparación con el vidrio puro (1 mm).

De este modo, Gmelch y col. realizó un método óptico totalmente accesible para escribir, leer y borrar en un material para el almacenamiento de información. El trabajo mostró la posibilidad de etiquetado y lectura repetibles sin contacto con una resolución más allá de la calidad de impresora comúnmente observada. Gmelch y col. proponen el uso de procesos altamente escalables para la fabricación de materiales a continuación. La resolución de lectura en el trabajo fue suficiente para almacenar una profundidad de información de 7 kB cm ^-2 , que es igual a cinco páginas de texto sin formato. La técnica abre un nuevo camino para el almacenamiento de información más allá de la codificación de datos permanente a bajo costo y alta escala. El nuevo trabajo tendrá potencial práctico en el campo de la logística industrial (etiquetado, seguimiento y transporte).

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