Вода вместо яда: Индиго и другие органические красители также можно производить без токсичных растворителей - как выяснили исследователи, вполне достаточно воды, нагретой под давлением. Этот удивительно простой и быстрый процесс может сделать синтез высокотехнологичных красителей для органических светодиодов и органических полупроводников более экологичным в будущем. Потому что токсичные растворители, которые раньше для этого требовались, теперь лишние.
Органические красители, такие как перинон, индиго или пентацентетрон, не только впечатляют своим ярко-интенсивным цветом, но и имеют важное технологическое значение: органические красители обладают особыми электронными свойствами и используются, среди прочего, в качестве органического света. - излучающие диоды (OLED) в плоских экранах или используемые в качестве полупроводников в органических солнечных элементах.
Проблема растворителя
Проблема: На сегодняшний день такие органические красители можно получить только с использованием сложных и крайне вредных для окружающей среды методов синтеза. Потому что для их синтеза требуются токсичные растворители, которые вызывают реакцию веществ-предшественников, а затем позволяют кристаллизоваться красителям.
Но теперь Мириам Унтерласс из Венского технологического университета и ее команде удалось создать несколько типичных представителей этого класса материалов по-новому: вместо токсичных растворителей они используют обычную воду. «Красители, которые мы производим, чрезвычайно водоотталкивающие, - объясняет Унтерласс. «Поэтому, исходя из вашего первого предчувствия, вы предположили бы, что вода - наихудший из возможных растворителей для синтеза и кристаллизации этих молекул».
Например, если капнуть каплю воды на порошок красителя индиго, она скатится. Краситель не смешивается с водой.
Под жарой и давлением
Но есть хитрость: для синтеза красителя исследователи использовали воду, нагретую до температуры более 180 градусов Цельсия в специальных сосудах под давлением. Из-за высокого давления вода остается в основном жидкой, несмотря на высокую температуру. Химические и физические свойства воды в этих условиях резко меняются.
«Свойства холодной жидкой воды во многом определяются так называемыми водородными связями», - объясняет Унтерласс. В среднем каждая молекула воды связана с тремя-четырьмя другими молекулами воды при комнатной температуре. Однако в горячем сосуде под давлением эти связи уменьшаются, а диссоциация воды увеличивается.«Это также означает, что при высоких температурах в воде содержится намного больше ионов, чем при нормальных условиях - некоторые молекулы H2O могут превращаться в H3O+ или OH.-, - сказал Унтерласс.
Вода становится катализатором
Но это резко меняет свойства воды: в каком-то смысле в этих условиях она ведет себя и как кислота, и как основание одновременно - может служить и кислотным, и основным катализатором. Эти ионы в воде позволяют растворять в ней органические вещества, совершенно нерастворимые в нормальных условиях, как объясняют исследователи.
Это означает, что молекулы исследуемых красителей могут не только синтезироваться в воде, но и кристаллизоваться: при достаточно высоких температурах они переходят в раствор, а при остывании выкристаллизовываются. «Обычно для производства или кристаллизации таких красителей нужны токсичные растворители - однако в нашем случае чистая вода приобретает именно те свойства растворителя, которые вам нужны - все, что вам нужно, - это давление и температура», - говорит Унтерласс.
Контролируемая кристаллизация
В своих экспериментах исследователям удалось синтезировать органический краситель перинон из нафталина и других исходных веществ, используя только чистую воду. Они также использовали свой «водный реактор» для кристаллизации индиго, перинона и пентацентетрона. Основное преимущество: степень упорядоченности во время кристаллизации можно особенно хорошо контролировать с помощью водного процесса, как сообщают исследователи.
«Электронные свойства этих материалов улучшаются в высококристаллическом состоянии, то есть при высокой степени упорядоченности на молекулярном уровне», - подчеркивает Унтерласс. «Вот почему важно, особенно для приложений в органической электронике, иметь наилучший возможный контроль над процессом кристаллизации».
Помимо OLED и полупроводников, есть и другие идеи применения полученных кристаллов. «Их можно использовать везде, где требования к красителям особенно высоки», - говорит Унтерласс.«Например, для автомобильных красок или в других областях, где преобладают экстремальные химические или термические условия, поскольку материалы также становятся более стабильными с увеличением кристалличности».