Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

يتم تقديم بروتوكول لتوليف المواد النانوية المضيئة الثابتة (PLNPs) وتطبيقاتها المحتملة في العروض القابلة لإعادة الكتابة والمعالجة الفنية باستخدام تأثير الشفق تحت إشعاع الأشعة فوق البنفسجية (365 نانومتر).

Abstract

تمتلك الجسيمات النانوية المضيئة المستمرة (PLNPs) القدرة على الحفاظ على طول العمر الطويل والانبعاثات القوية حتى بعد توقف الإثارة. تم استخدام PLNPs على نطاق واسع في مختلف المجالات ، بما في ذلك شاشات المعلومات وتشفير البيانات والتصوير البيولوجي والديكور الفني مع لمعان مستدام وحيوي ، مما يوفر إمكانيات لا حدود لها لمجموعة متنوعة من التقنيات المبتكرة والمشاريع الفنية. يركز هذا البروتوكول على إجراء تجريبي للتوليف الحراري المائي ل PLNPs. إن التوليف الناجح للمواد النانوية المضيئة الدائمة مع Mn2+ أو Cr3+ التي تعمل كمركز إنارة في Zn2GeO4: Mn (ZGO: Mn) أو ZnGa2O4: Cr يسلط الضوء على عالمية هذه الطريقة الاصطناعية. من ناحية أخرى ، يمكن تغيير الخصائص البصرية ل ZGO: Mn عن طريق ضبط الرقم الهيدروجيني لحلول السلائف ، مما يدل على قابلية ضبط البروتوكول. عند شحنها بالأشعة فوق البنفسجية (UV) بطول موجي 365 نانومتر لمدة 3 دقائق ثم إيقافها ، تظهر PLNPs قدرة رائعة على توليد الشفق بكفاءة واتساق ، مما يجعلها مثالية لصنع شاشات ثنائية الأبعاد قابلة لإعادة الكتابة وأعمال فنية شفافة ومضيئة ثلاثية الأبعاد. يوفر هذا البروتوكول الموضح في هذه الورقة طريقة مجدية لتخليق الجسيمات النانوية المضيئة المستمرة لمزيد من تطبيقات الإضاءة والتصوير ، مما يفتح آفاقا جديدة لمجالات العلوم والفن.

Introduction

التلألؤ المستمر (PL) هو عملية بصرية فريدة يمكنها تخزين الطاقة من الأشعة فوق البنفسجية أو الضوء المرئي أو الأشعة السينية أو مصادر الإثارة الأخرى ثم إطلاقها في شكل انبعاث فوتون لثوان أو دقائق أو ساعات أو حتى للأيام1. نشأ اكتشاف ظاهرة مضيئة مستمرة من سلالة سونغ في الصين القديمة قبل 1000 عام عندما اكتشف رسام عن طريق الخطأ لوحة تتوهج في الظلام. وجد لاحقا أن بعض المواد الخام والمعادن الطبيعية يمكن أن تمتص أشعة الشمس ثم تتوهج في الظلام ويمكن حتى تحويلها إلى لآلئ متوهجة رائعة2. ومع ذلك ، يجب إرجاع أول سجل مناسب للفوسفور المستمر إلى اكتشاف انبعاث PL من حجر بولونيا فيأوائل القرن 17 ، والذي أعطى توهجا أصفر إلى برتقالي في الظلام1،2،3،4. في وقت لاحق ، تم اكتشاف أن الشوائب الطبيعية ل Cu + في BaS لعبت دورا مهما في ظاهرة التلألؤ المستمرةهذه 1,4. حتى منتصف تسعينيات القرن العشرين ، كان إنتاج الفوسفور المستمر يقتصر إلى حد كبير على الكبريتيدات5. في عام 1996 ، أبلغ ماتسوزاوا وآخرون عن أكسيد معدني جديد (SrAl2O4: Eu2+ ، Dy3+) فوسفور يظهر توهجا ساطعا للغاية ، مما حفز بشكل كبير التوسع في أبحاث التلألؤ المستمر6.

تستمد الخصائص الفريدة للمواد المضيئة الثابتة بشكل أساسي من نوعين من المراكز النشطة: مراكز الانبعاثات ومراكز الفخ1،7،8. من بينها ، يحدد الأول الطول الموجي للانبعاث ، بينما يتم تحديد الكثافة والوقت المستمرين بشكل أساسي بواسطة مراكز المصيدة. لذلك ، يجب أن يأخذ تصميم مواد PL كلا الجانبين في الاعتبار من أجل تحقيق الطول الموجي المطلوب للانبعاث والتلألؤ طويل الأمد 9,10. يمكن أن تكون مراكز الانبعاث أيونات اللانثانيد مع انتقالات 5d إلى 4f أو 4f إلى 4f ، أو أيونات المعادن الانتقالية مع انتقالات d إلى d ، أو أيونات المعادن بعد الانتقال مع انتقالات p إلى s1،11،12،13. من ناحية أخرى ، تتشكل مراكز المصيدة من عيوب شعرية أو العديد من المنشطات المشتركة14,15 ، والتي عادة لا تنبعث منها إشعاعات ولكن بدلا من ذلك تخزن طاقة الإثارة لفترة من الوقت ثم تطلقها تدريجيا إلى مركز الانبعاث من خلال التنشيط الحراري أو الفيزيائي الآخر16,17. تم الإبلاغ عن العديد من الفوسفور مع مضيفين مختلفين وأيونات منشطة. حتى الآن ، تم العثور على المركبات المعدنية غير العضوية18 ، والأطر المعدنية العضوية8 ، وبعض المركبات العضوية19 ، والبوليمرات20 لها خصائص PL. في السنوات الأخيرة ، أظهرت مواد الإنارة الثابتة ذات المصيدة العميقة ذات خصائص تخزين الطاقة وإطلاق الفوتون التي يمكن التحكم فيها تطبيقات محتملة كبيرة في تخزين المعلومات21 ، ومكافحة التزييف متعددة الطبقات22 ، والشاشات المتقدمة23.

بناء على التكوين أعلاه ، تم تصميم وتصنيع PLNPs مع مصفوفات مختلفة بنجاح ، مثل BaZrSi3O97 و Y2O2S24 و Ca14Mg2 (SiO4) 825 و CaAl2O426 و SrAl2O426,27 و Sr2MgSi2O728 مع مراكز الإنارة متعددة المخدرات ، حيث تعتمد مراكز التلألؤ بشدة على تأثير المجال البلوري للشبكة المضيفة ، في حين أن العيوب الناتجة أو المحسنة بواسطة المنشطات المختلفة تعمل كمراكز مساعدة للتحكم في شدة الشفق ومدته. بالإضافة إلى المنشطات المشتركة ، يمكن أيضا ملاحظة انبعاث طويل الأمد في حالة منشط واحد فقط ، مثل PLNPs غير المتجانسة مع مصفوفة Y3Al2Ga3O1229 و BaGa2O430 و Ca2SnO431 و CdSiO332 و Zn3Ga2Ge2O1033. تشمل الأكاسيد الثلاثية القائمة على الجرمانيات Ca2Ge7O16 و Zn2GeO4 و BaGe4O9 وما إلى ذلك ، وهي مواد نموذجية لأشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريض مع انبعاث قابل للضبط ، وتألق قابل للتكرار ومستقر ، وعائد كمي مرتفع ، وصداقة بيئية وتوافر واسع34،35،36. هذه المزايا تجعلها حاملا ضوئيا جيدا من نوع المنشط. في السنوات القليلة الماضية ، تم تحضير الجرمانات ذات البنى المجهريةالمختلفة 35,37 ، بواسطة تفاعلات الحالة الصلبة التقليدية أو طرق المحلول الكيميائي ، وهذه الخصائص تجعل Zn2GeO4 مفيدا في التعقيم38 ، ومكافحة التزييف39 ، والحفز40 ، والثنائيات الخفيفة41 ، والاستشعار الحيوي42 ، وأنودات البطارية43 ، وأجهزة الكشف44,45 ، إلخ.

من أجل توسيع تطبيق مواد PL ، تم تطوير التوليف الذي يمكن التحكم فيه للجسيمات النانوية المضيئة الموحدة والمستمرة. قبل عقد من الزمان ، تم تصنيع الفوسفور المستمر بواسطة تخليق الحالة الصلبة46. ومع ذلك ، أدى وقت رد الفعل الطويل ودرجة حرارة التلدين المرتفعة أثناء عملية التوليف إلى فوسفور كبير وغير منتظم ، مما حد من تطبيقها في مجالات أخرى مثل الطب الحيوي. في عام 2007 ، استخدم Chermont et al. نهج Sol-gel لتوليف الجسيمات النانوية لأول مرة وأعد Ca0.2Zn0.9Mg0.9Si2O6: Eu2+ ، Dy3+ ، Mn2+ ، مما فتح عصر PLNPs47. ومع ذلك ، فإن استراتيجية التوليف من أعلى إلى أسفل مصحوبة بمشاكل مثل الحجم والتشكل الذي لا يمكن السيطرة عليه ، لذلك قام الباحثون بالكثير من العمل في تطوير توليف من أسفل إلى أعلى يمكن التحكم فيه ل PLNPs. منذ عام 2015 ، ظهرت طرق تخليق مختلفة واحدة تلو الأخرى ، مثل طريقة تخليق القالب ، والطريقة الحرارية الحرارية المائية / المذيبات ، وطريقة sol-gel وغيرها من طرق التخليق الكيميائي الرطب لتوليف PLNPs موحدة ويمكن التحكم فيها47،48،49،50. من بينها ، يعد التخليق الحراري المائي أحد أكثر الطرق استخداما لإعداد المواد النانوية ، والتي يمكن أن توفر طريقة اصطناعية قابلة للتعديل وخفيفة لإعداد المركبات أو المواد ذات الهياكل والخصائص الخاصة51.

هنا ، نقدم إجراء تجريبيا مفصلا لتوليف Zn2GeO4: Mn PLNPs مع مورفولوجيا 1D nanorods عبر الطريقة الحرارية المائية وتزويدهم ببيئة صلبة لمزيد من تطبيقات الإضاءة. وقد وجد أن خصائص التلألؤ ل PLNPs ، بما في ذلك الطول الموجي للانبعاث ومنحنى اضمحلال الشفق ، يمكن تغييرها عن طريق ضبط قيمة الأس الهيدروجيني للسلائف. من ناحية أخرى ، للتأكيد على تنوع هذه الطريقة ، نقوم أيضا بتجميع PLNPs مع Cr كمركز الإنارة باستخدام ZnGa2O4 كمصفوفة (ZnGa2O4: Cr) ، والتي تظهر انبعاث الشفق (697 نانومتر) في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة بعد أن أثارها الضوء فوق البنفسجي (365 نانومتر). تركز هذه المقالة بشكل أساسي على Zn2GeO4: Mn الذي تبلغ قيمة الرقم الهيدروجيني لمحلول السلائف 9.4 لإنتاج وتصور الأعمال الفنية ثنائية الأبعاد وثلاثية الأبعاد. Zn2GeO4: Mn هو نوع من المواد النانوية مع أيونات Mn كمركز الإنارة الذي يحصل على انبعاث ضوء أخضر قوي (~ 537 نانومتر) تحت إثارة 365 نانومتر من الأشعة فوق البنفسجية. في الوقت نفسه ، لا يزال من الممكن رؤية الضوء الأخضر المستمر بعد إيقاف الإثارة. من أجل تعزيز بلمرة PLNPs في ميثيل ميثاكريلات ، تمت إضافة روابط (بولي إيثيلين جلايكول) أثناء عملية التخليق الحراري المائي ، ثم تم بلمرة PLNPs مع ميثيل ميثاكريلات (MMA) في قالب ثنائي الأبعاد أو ثلاثي الأبعاد بحيث يمكن أن يشكل عملا فنيا متوهجا أثناء إزالة القوالب بسلاسة.

يوفر هذا البروتوكول طريقة مجدية للتوليف الحراري المائي ، وتفاعلات البلمرة ، وتطبيقات الإنارة ل PLNPs في تجسيد اللون المتقدم. ستؤثر أي اختلافات في الأس الهيدروجيني ودرجة الحرارة والكواشف الكيميائية أثناء نمو البلورات النانوية على الحجم والخصائص البصرية للهياكل النانوية PLNP. يهدف هذا البروتوكول المفصل إلى مساعدة الباحثين الجدد في هذا المجال على تحسين قابلية استنساخ PLNPs باستخدام طريقة حرارية مائية لمزيد من التطبيقات الأوسع.

Protocol

1. توليف الزنك2GeO4: Mn PLNPs

  1. تحضير 2 M/L من محلول هيدروكسيد الصوديوم عن طريق إذابة 10 mM هيدروكسيد الصوديوم في 5 mL من الماء منزوع الأيونات.
  2. تحضير 0.4 M/L محلول جرمانات الصوديوم عن طريق إضافة 2 mM من أكسيد الجرمانيوم إلى 5 مل من محلول هيدروكسيد الصوديوم، ثم يقلب في درجة حرارة الغرفة لمدة 30 دقيقة تقريبا.
  3. أضف 4 mM من كلوريد الزنك و 0.01 mM من نترات المنجنيز و 600 ميكرولتر من حمض النيتريك (65٪ -68٪ ، بالوزن) إلى دورق صغير سعة 100 مل يحتوي على 22 مل من الماء منزوع الأيونات.
    تنبيه: يجب أن تتم إضافة حمض النيتريك بدقة في غطاء الدخان والتأكد من عدم وجود ألسنة اللهب المكشوفة أو التدفئة حولها.
  4. يقلب بقوة حتى يذوب حل الخطوة 1.3 تماما.
  5. أضف ببطء 2 mM محلول جرمانات الصوديوم إلى محلول الخطوة 1.4. أضف 1 مل من البولي إيثيلين جلايكول (PEG ؛ 300 ، ميغاواط) إلى المحلول.
  6. ضع مسبار مقياس الأس الهيدروجيني المعاير في المحلول لمراقبة قيمة الأس الهيدروجيني لنظام التفاعل. اضبط تقليبا لطيفا نسبيا لتجنب تناثر المحلول والاصطدام بين قضيب التحريك والمسبار.
  7. أضف هيدروكسيد الأمونيوم بجزء كتلي من 25٪ -28٪ إلى المحلول قطرة قطرة ، واضبط الرقم الهيدروجيني للمحلول على 6.0 أو 8.0 أو 9.4 اعتمادا على خاصية التلألؤ المراد دراستها. تأكد من إضافة هيدروكسيد الأمونيوم ببطء ومراقبة تغيرات الأس الهيدروجيني للمحلول في جميع الأوقات لمنع النظام من أن يكون حمضيا جدا أو قلويا جدا ، حتى لا يؤثر على مورفولوجيا وخصائص الإنارة للمواد النانوية.
  8. غطي الدورق بغشاء مانع للتسرب وحرك المحلول في درجة حرارة الغرفة لمدة 1 ساعة. حاول عدم تعريض النظام للهواء لمنع دخول الغبار والتسبب في تطاير المذيبات ، مع التحريك بسرعة ثابتة حتى لا يتناثر مستوى السائل في النظام عند خلط النظام بالكامل.
  9. انقل المحلول إلى الأوتوكلاف المبطن بالتفلون وضعه في فرن تجفيف ثرموستاتي كهربائي على حرارة 220 درجة مئوية لمدة 4 ساعات.
    ملاحظة: يجب اختيار الأوتوكلاف المناسب المبطن بالتفلون وفقا لحجم النظام ، ويجب الحفاظ على نظافة المفاعل. يجب ألا يتجاوز حجم المواد الخام المضافة 1/3ثلث من حجم الأوتوكلاف. في الوقت نفسه ، تأكد من إغلاق الأوتوكلاف تماما قبل وضعه في فرن التجفيف الثرموستاتي الكهربائي.
  10. قم بإيقاف تشغيل فرن التجفيف الثرموستاتي الكهربائي عند اكتمال التفاعل وانتظر حتى يبرد النظام إلى درجة حرارة الغرفة لإخراج المفاعل. تأكد من الانتظار حتى يبرد المفاعل تماما ويتم تقليل الضغط إلى نطاق آمن قبل المتابعة إلى الخطوة التالية لتجنب الاتصال المباشر بين درجة الحرارة العالية والجلد.
  11. افتح المفاعل ببطء وانقل محلول التفاعل إلى أنبوبي طرد مركزي سعة 50 مل. شطف المفاعل مع 40 مل من الإيثانول ، وبعد ذلك نقل محلول الإيثانول إلى نفس أنابيب الطرد المركزي.
  12. دوامة لمدة 30 ثانية بحيث يمكن خلط المحلول بالتساوي ، ثم طرد العينة عند 4000 × جم لمدة 15 دقيقة في درجة حرارة الغرفة وإزالة المادة الطافية.
  13. أضف 10 مل من الماء منزوع الأيونات إلى كل أنبوب طرد مركزي وصوتنيكات لمدة 5 دقائق (240 واط ، 40 كيلو هرتز) لإعادة تشتيت المنتج.
  14. أضف 20 مل من الإيثانول في كل أنبوب طرد مركزي ودوامة لمدة 30 ثانية لخلط المحلول بالتساوي.
  15. استمر في طرد المنتج وفقا للإعداد المذكور من قبل (4000 × جم ، 15 دقيقة) في درجة حرارة الغرفة وتخلص من المادة الطافية.
  16. Ultrasonicate لمدة 5 دقائق لتفريق المنتج في 2 مل من محلول الميثانول ، وختم العينة مع فيلم الختم وتخزينها في ثلاجة 4 °C لمنع تلوث العينة وتبخر المذيبات لتطبيقات الإضاءة المستقبلية.

2. توليف ZnGa2O4: Cr PLNPs

  1. قم بإذابة 12 mM Ga (NO3) 3.xH 2O و 7.2 mM ZnCl2 و 0.024 mM Cr (NO3) 3.9H2O في 30 مل من الماء منزوع الأيونات.
  2. أضف 1 مل من PEG (300 ، ميغاواط) إلى المحلول. أضف هيدروكسيد الأمونيوم (25٪ -28٪ بالوزن) إلى المحلول ، وحركه برفق للوصول إلى درجة حموضة 9.0-9.4. تأكد من التحكم في سرعة التحريك بحيث يمكن خلط المحلول جيدا دون رشه على مقياس الأس الهيدروجيني.
  3. غطي الدورق بغشاء مانع للتسرب وحرك المحلول في درجة حرارة الغرفة لمدة 1 ساعة. حاول تقليل تعرض النظام للهواء لمنع دخول الغبار وتبخر المذيبات. في الوقت نفسه ، تحكم في سرعة التحريك حتى لا يرش النظام أثناء الخلط جيدا.
  4. انقل المحلول إلى الأوتوكلاف المبطن بالتفلون وقم بتشغيله عند 220 درجة مئوية لمدة 6 ساعات. أخرج الحاوية بعد انخفاض درجة الحرارة إلى درجة حرارة الغرفة. تأكد من أن وعاء التفاعل قد برد تماما ، وأن الضغط قد انخفض إلى نطاق آمن قبل الشروع في العمليات اللاحقة ، وكذلك تجنب الاتصال المباشر لدرجات الحرارة المرتفعة مع الجلد.
  5. انقل محلول التفاعل إلى أنبوبي طرد مركزي سعة 50 مل. شطف المفاعل مع 40 مل من الإيثانول ، ثم نقل محلول الإيثانول إلى نفس أنابيب الطرد المركزي.
  6. دوامة لمدة 30 ثانية لخلط المحلول ثم طرد العينة عند 4000 × جم لمدة 15 دقيقة في درجة حرارة الغرفة وإزالة المادة الطافية.
  7. أضف 10 مل من الماء منزوع الأيونات إلى كل أنبوب طرد مركزي وصوتيكات لمدة 5 دقائق لإعادة تشتيت المنتج.
  8. أضف 20 مل من الإيثانول في كل أنبوب طرد مركزي ودوامة لمدة 30 ثانية لخلط المحلول بالتساوي. استمر في طرد المنتج في درجة حرارة الغرفة كما ذكرنا سابقا (4000 × جم ، 15 دقيقة) وتخلص من المادة الطافية.
  9. الموجات فوق الصوتية لمدة 5 دقائق لتفريق المنتج في 2 مل من الماء منزوع الأيونات وختم العينة بفيلم مانع للتسرب للتخزين.

3. تنقية المواد الخام

  1. تنقية ميثاكريلات الميثيل (MMA) بواسطة كروماتوغرافيا العمود كما هو موضح أدناه.
    1. املأ نصف العمود بأكسيد الألومنيوم القلوي (100-200 شبكة) وضغطه برفق بقضيب زجاجي. عند ملء العمود بأكسيد الألومنيوم ، انتبه إلى التوزيع المتساوي والضغط الموحد للحشو لتحسين كفاءة الفصل.
    2. أضف كمية صغيرة من MMA وافتح مكبس الخانق PTFE أدناه. بمجرد أن تبلل طبقة المذيب أكسيد الألومنيوم بالكامل ويتدفق السائل ، أضف المزيد من MMA وكرر هذه العملية عدة مرات. الوقت الذي تكون فيه نسبة الكتلة ل MMA بالكامل المضافة إلى أكسيد الألومنيوم الأساسي هي: 1:50 تمثل نهاية العملية.
    3. ضع عينة MMA النهائية التي تم جمعها في زجاجة زجاجية ، وأغلقها بغشاء مانع للتسرب واحفظها في درجة حرارة 4 درجات مئوية.
      تنبيه: يجب تنفيذ العملية برمتها في غطاء دخان بسبب التقلب القوي ل MMA. في الوقت نفسه ، يجب على المشغلين ارتداء الأقنعة ومعاطف المختبر.
  2. تنقية أزوبيسوبوتيرونيتريل (AIBN) عن طريق إعادة التبلور كما هو موضح أدناه.
    1. تحضير 50 مل من محلول مختلط مع نسبة حجم 7: 3 من الإيثانول والماء المقطر وتسخين الحل.
    2. أضف 5 جم من AIBN عندما يغلي المحلول وحركه لخلط المحلول بالتساوي.
    3. قم بإزالة الشوائب غير القابلة للذوبان عن طريق الترشيح الساخن كما هو موضح أدناه.
      1. ضع ورق الترشيح بإحكام على الجدار الداخلي للقمع الثلاثي وتأكد من أن ورق الترشيح أسفل حافة القمع.
      2. ضع القضيب الزجاجي على القسم ثلاثي الطبقات من ورق الترشيح. إذا لم يتم وضع القضيب الزجاجي على القسم ثلاثي الطبقات من ورق الترشيح ، فقد يؤدي ذلك إلى ثقب ورق الترشيح ، مما يؤدي إلى ترشيح غير فعال.
      3. ضع طرف الكأس الزجاجية التي تحتوي على المحلول بالقرب من القضيب الزجاجي واسكبه وهو ساخن. الغرض من هذه الخطوة هو منع تناثر قطرات السائل.
      4. شطف الدورق مع 10 مل من الماء المقطر البارد ، ومرة أخرى إجراء عملية الترشيح أعلاه ؛ كرر 3x.
    4. يصبح المحلول مفرط التشبع بسبب انخفاض قابلية الذوبان أثناء التبريد ، مما يؤدي إلى ترسيب البلورات. ضع المحلول الذي تم جمعه في الثلاجة على حرارة 4 درجات مئوية للتبريد والتبلور. ستظهر العينة في حالة بلورات بيضاء تشبه الإبرة.
    5. أغلق العينة بورق الألمنيوم واحفظها على حرارة 4 درجات مئوية.
      تنبيه يجب اتخاذ تدابير وقائية أثناء العملية بسبب سمية AIBN ، مع تجنب ملامسة اللهب المكشوف ودرجات الحرارة المرتفعة والعوامل المؤكسدة.

4. البلمرة المشتركة لميثيل ميثاكريلات (MMA)

  1. اضبط درجة حرارة حمام الماء على 80 درجة مئوية.
    ملاحظة: درجة حرارة الماء لها تأثير شديد على معدل البلمرة وبالتالي تؤثر على تكوين المنتج النهائي. لذلك ، يجب ضمان درجة حرارة الحمام المائي بشكل صارم ألا تكون مرتفعة للغاية.
  2. وزن 20 غرام من MMA في زجاجة 100 مل على شكل باذنجان. حافظ على الحاوية جافة قبل التجربة.
    ملاحظة: يتم اختيار الزجاجة على شكل الباذنجان لتسهيل تسخين حمام الماء واستبدال الهواء بالنيتروجين في النظام. حاول وزن العينة في بيئة جيدة التهوية أثناء ارتداء قناع.
  3. أضف محلول الميثانول المحضر مسبقا ل Zn2GeO4: Mn إلى وعاء التفاعل.
  4. قم بإذابة العينة تماما في MMA بمساعدة الموجات فوق الصوتية لمدة 10 دقائق (240 واط ، 40 كيلو هرتز) في درجة حرارة الغرفة. حافظ على وعاء التفاعل مغلقا لمنع تبخر المذيبات وتجنب درجات الحرارة المرتفعة بشكل مفرط أثناء عملية الموجات فوق الصوتية.
  5. أضف 0.012 جم من AIBN إلى المحلول واخلط المحلول تماما.
    ملاحظة: يجب استخدام AIBN في ظل ظروف لا مائية والتأكد من عدم وجود لهب مكشوف حول العملية التجريبية. تأكد من ارتداء معدات واقية.
  6. ضع القارورة في حمام مائي 80 درجة مئوية وقم بتطهير الهواء من نظام التفاعل باستخدام N2 لمدة 35 دقيقة تقريبا. عندما يكون التفاعل على وشك الانتهاء ، هز وعاء التفاعل برفق. إذا لم يهتز المحلول بقوة ، فإنه يثبت أن رد الفعل ناجح.
    ملاحظة: سيتغير وقت رد الفعل مع درجة حرارة الحمام المائي. تأكد من أن درجة حرارة الحمام المائي تصل إلى 80 درجة مئوية وابدأ التوقيت لمدة 35 دقيقة.
  7. بعد انتهاء التفاعل ، انقل وعاء التفاعل بسرعة إلى حمام جليدي لتبريده بسرعة.
    ملاحظة: يجب أن تكون هذه العملية في أسرع وقت ممكن لتجنب البلمرة المسبقة المفرطة ل MMA ، ويمكن تحضير حمام الثلج مسبقا خلال فترة التفاعل.
  8. صب المحلول ببطء في قالب ثنائي الأبعاد أو ثلاثي الأبعاد ، ضع القالب في فرن تجفيف ثرموستاتي كهربائي عند 40 درجة مئوية لمدة 10 ساعات ، و 70 درجة مئوية لمدة 8 ساعات ، و 100 درجة مئوية لمدة 2 ساعة أخرى للحصول على المواد المستهدفة.
  9. أغلق فرن التجفيف الثرموستاتي الكهربائي بعد توقف التفاعل ، واتركه يبرد إلى درجة حرارة الغرفة. افتح فرن التجفيف الثرموستاتي الكهربائي لإخراج القالب بعد تبريد نظام التفاعل بدرجة كافية لتجنب حروق الجلد الناتجة عن الاتصال المباشر بين درجة الحرارة العالية والجسم.
  10. قم بإزالة القالب بعناية وفضح عينة PMMA المبلمرة (ZGO: Mn-PMMA) لمصباح الأشعة فوق البنفسجية لمدة 3 دقائق تقريبا. على سبيل المثال ، عند تعريض فيلم ZGO: Mn-PMMA الشفاف للأشعة فوق البنفسجية من خلال قطع من الورق المقوى الأسود على شكل الحرف H ، يتم الحصول على نمط مماثل من انبعاث الفوسفور الأخضر. يمكن مسح النمط بعد 5 دقائق. بعد ذلك ، يمكن تكرار العملية باستخدام قطع آخر من الورق المقوى الأسود على شكل أحرف مختلفة ، مما يولد أنماطا جديدة من الإنارة.

النتائج

يظهر الرسم البياني التوليف ل Zn2GeO4: Mn (ZGO: Mn) PLNPs في الشكل 1. تمت إضافة البوليمر البرمائي Poly-Ethylene glycol (PEG) لتعديل قضبان النانو Zn2GeO4: Mn (ZGO: Mn) الخالية من الرباط لتذوب بشكل أفضل في وسط MMA. أولا ، يتم جمع صور المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) ، والمجهر الإلكتروني الناف...

Discussion

تقدم هذه المقالة طريقة توليف للمواد النانوية المضيئة المستمرة والبلمرة لتطبيقات تجسيد اللون. أظهرت المواد خصائص بصرية مستقرة للغاية وتوهجا مرئيا بعد التوقف عن إثارة الأشعة فوق البنفسجية. تم تحضير مادة نانوية مضيئة ثابتة (Zn2GeO4: Mn) باستخدام طريقة حرارية مائية ذات أس هيدروجيني م?...

Disclosures

لا يوجد شيء للكشف عنه.

Acknowledgements

يشكر المؤلفون تمويل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (82001945) ، وبرنامج شنغهاي بوجيانغ (20PJ1410700) ، ومنحة البداية من جامعة شنغهاي للتكنولوجيا. يشكر المؤلفون مركز المجهر الإلكتروني عالي الدقة (ChEM) ، كلية العلوم والتكنولوجيا الفيزيائية ، جامعة ShanghaiTech (No. EM02161943) لدعم توصيف المواد. يشكر المؤلفون مركز الأجهزة التحليلية (#SPST-AIC10112914) ، كلية العلوم والتكنولوجيا الفيزيائية ، جامعة شنغهاي للتكنولوجيا على دعم الاختبار الطيفي ودعم اختبار XRD. كما يشكر المؤلفون البروفيسور جيان فنغ لي على المساعدة في توصيف المواد.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
azobisisobutyronitrile (99%)MacklinA800354Further purification required
methyl methacrylate(99%)Sigma-AldrichM55909Further purification required
deionized waterMerckZEQ7016T0CMilli-Q Direct Water Purification System
alkaline aluminum oxide (100-200 mesh)MacklinA800033
 ammonium hydroxide  (25%-28%, wt)MacklinA801005
beaker SynthwareB220100
chromium(III) nitrate nonahydrate (99.95%)AladdinC116448
centrifugeThermoFisher Scientific75004250
columnSynthwareC184464CR
digital camera CanonEOS M50 Mark II
electric thermostaticdrying ovenLongyueLDO-9036A
ethanol (99.7%)Greagent1158566
gallium nitrate hydrate(99.9%)AladdinG109501
germanium oxide (99.99%)Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd51009860
glass rodSinopharm Chemical ReagentCo., Ltd91229401
powder X-Ray DiffractometerD2 PHASER DESKTOP XRDBRUKER
manganese nitrate (98%)MacklinM828399
methanol (99.5%)Greagent1226426
nitric acid (65.0-68.0%, wt)Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd10014508
pH meterShanghai Leici Sensor Technology Co., LtdPHS-3C
polyethylene glycol (300, Mw)Adamas01050882(41713A)
sealing filmParafilm2025722
sodium hydroxide (GR)Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd10019764
spectrometerHoribaFluorolog-3 
transmission electron microscopeJEOL JEM-1400 Plus
transmission electron microscopeJEOL2100 Plus 
triangular funnelSynthwareF181975
ultrasound machinecentrifugeJP-040S
zinc chloride (98%)Greagent01113266/G81783A

References

  1. Xu, J., Tanabe, S. Persistent luminescence instead of phosphorescence: History, mechanism, and perspective. J Luminesc. 205, 581-620 (2019).
  2. Harvey, E. N. . A history of luminescence from the earliest times until 1900. , (1957).
  3. Hölsä, J. Persistent luminescence beats the afterglow: 400 years of persistent luminescence. Electrochem Soc Interface. 18 (4), 42 (2009).
  4. Lastusaari, M., et al. The Bologna stone: history's first persistent luminescent material. Euro J Mineral. 24 (5), 885-890 (2012).
  5. Liu, Y., Kuang, J., Lei, B., Shi, C. Color-control of long-lasting phosphorescence (LLP) through rare earth ion-doped cadmium metasilicate phosphors. J Mater Chem. 15 (37), 4025-4031 (2005).
  6. Matsuzawa, T., Aoki, Y., Takeuchi, N., Murayama, Y. A new long phosphorescent phosphor with high brightness, SrAl2O4:Eu2+, Dy3+. J Electrochem Soc. 143 (8), 2670 (1996).
  7. Guo, H., et al. Cyan emissive super-persistent luminescence and thermoluminescence in BaZrSi3O9:Eu2+,Pr3+ phosphors. J Mater Chem C. 5 (11), 2844-2851 (2017).
  8. Yuan, J., Dong, J., Lei, S., Hu, W. Long afterglow MOFs: a frontier study on synthesis and applications. Mater Chem Front. 5 (18), 6824-6849 (2021).
  9. Fu, X., Zheng, S., Shi, J., Li, Y., Zhang, H. Long persistent luminescence property of a novel green emitting SrLaGaO4 : Tb3+ phosphor. J Luminesc. 184, 199-204 (2017).
  10. Zhuang, Y., Wang, L., Lv, Y., Zhou, T. L., Xie, R. J. Optical data storage and multicolor emission readout on flexible films using deep-trap persistent luminescence materials. Adv Func Mater. 28 (8), 1705769 (2018).
  11. Singh, S. K. Red and near infrared persistent luminescence nano-probes for bioimaging and targeting applications. RSC Adv. 4 (102), 58674-58698 (2014).
  12. Matuszewska, C., Elzbieciak-Piecka, K., Marciniak, L. Transition metal ion-based nanocrystalline luminescent thermometry in SrTiO3:Ni2+,Er3+ nanocrystals operating in the second optical window of biological tissues. J Phys Chem C. 123 (30), 18646-18653 (2019).
  13. Zhuang, Y., Katayama, Y., Ueda, J., Tanabe, S. A brief review on red to near-infrared persistent luminescence in transition-metal-activated phosphors. Optic Mater. 36 (11), 1907-1912 (2014).
  14. Norrbo, I., et al. Lanthanide and heavy metal free long white persistent luminescence from Ti doped Li-hackmanite: A versatile, low-cost material. Adv Func Mater. 27 (17), 1606547 (2017).
  15. Hoang, K. Defects and persistent luminescence in Eu-doped SrAl2O4. Phys Rev Appl. 19 (2), 024060 (2023).
  16. Viana, B., et al. Long term in vivo imaging with Cr3+ doped spinel nanoparticles exhibiting persistent luminescence. J Luminesc. 170 (3), 879-887 (2016).
  17. Ding, Y., So, B., Cao, J., Langenhorst, F., Wondraczek, L. Light delivery, acoustic read-out, and optical thermometry using ultrasound-induced mechanoluminescence and the near-infrared persistent luminescence of CaZnOS:Nd3. Adv Optic Mater. 11 (17), 2300331 (2023).
  18. Ge, S., et al. Realizing color-tunable and time-dependent ultralong afterglow emission in antimony-doped CsCdCl3 metal halide for advanced anti-counterfeiting and information encryption. Adv Optic Mater. 11 (14), 2300323 (2023).
  19. Zhai, L., Ren, X. M., Xu, Q. Carbogenic π-conjugated domains as the origin of afterglow emissions in carbon dot-based organic composite films. Mater Chem Front. 5 (11), 4272-4279 (2021).
  20. Miao, Q., et al. Molecular afterglow imaging with bright, biodegradable polymer nanoparticles. Nat Biotechnol. 35 (11), 1102-1110 (2017).
  21. Zhou, B., Xiao, G., Yan, D. Boosting wide-range tunable long-afterglow in 1D metal-organic halide micro/nanocrystals for space/time-resolved information photonics. Adv Mater. 33 (16), e2007571 (2021).
  22. Yang, H., et al. Highly flexible dual-mode anti-counterfeiting designs based on tunable multi-band emissions and afterglow from chromium-doped aluminates. J Mater Chem C. 8 (46), 16533-16541 (2020).
  23. Chen, Y., et al. Synaptic plasticity powering long-afterglow organic light-emitting transistors. Adv Mater. 33 (39), e2103369 (2021).
  24. Qu, B., Wang, J., Liu, K., Zhou, R., Wang, L. A comprehensive study of the red persistent luminescence mechanism of Y2O2S:Eu,Ti,Mg. Phys Chem Chem Phys. 21 (45), 25118-25125 (2019).
  25. Zhang, J., Jiang, C. Luminescence properties of Ca14 Mg2(SiO4)8 :Eu2+ from various Eu2+ sites for white-light-emitting diodes. Mater Res Bull. 60, 467-473 (2014).
  26. Yamamoto, H., Matsuzawa, T. Mechanism of long phosphorescence of SrAl2O4: Eu2+, Dy3+ and CaAl2O4 Eu2+, Nd3+. J Luminesc. 72-74, 287-289 (1997).
  27. Rojas-Hernandez, R. E., Rubio-Marcos, F., Rodriguez, M. &. #. 1. 9. 3. ;., Fernandez, J. F. Long lasting phosphors: SrAl2O4:Eu, Dy as the most studied material. Renew Sustain Ener Rev. 81 (2), 2759-2770 (2018).
  28. Lin, Y., Tang, Z., Zhang, Z., Wang, X., Zhang, J. Preparation of a new long afterglow blue-emitting Sr2MgSi2O7-based photoluminescent phosphor. J Mater Sci Lett. 20, 1505-1506 (2001).
  29. Katayama, Y., Viana, B., Gourier, D., Xu, J., Tanabe, S. Photostimulation induced persistent luminescence in Y3Al2Ga3O12:Cr3. Optic Mater Exp. 6 (4), 1405-1413 (2016).
  30. Li, H., et al. A strategy for developing thermal-quenching-resistant emission and super-long persistent luminescence in BaGa2O4:Bi3+. J Mater Chem C. 7 (42), 13088-13096 (2019).
  31. Lei, B., et al. Luminescent properties of orange-emitting long-lasting phosphorescence phosphor Ca2SnO4:Sm3. Solid State Sci. 13 (3), 525-528 (2011).
  32. Lei, B., Liu, Y., Ye, Z., Shi, C. Luminescence properties of CdSiO3:Mn2+ phosphor. J Luminesc. 109 (3-4), 215-219 (2004).
  33. Wu, Y., et al. Near-infrared long-persistent phosphor of Zn3Ga2Ge2O10: Cr3+ sintered in different atmosphere. Spectrochim Acta A Mol Biomol Spectrosc. 151, 385-389 (2015).
  34. Zhang, S., Hu, Y. Photoluminescence spectroscopies and temperature-dependent luminescence of Mn4+ in BaGe4O9 phosphor. J Luminesc. 177, 394-401 (2016).
  35. Wang, J., et al. One-dimensional luminous nanorods featuring tunable persistent luminescence for autofluorescence-free biosensing. ACS Nano. 11 (8), 8185-8191 (2017).
  36. Wang, T., Xu, X., Zhou, D., Qiu, J., Yu, X. Red phosphor Ca2Ge7O16:Eu3+ for potential application in field emission displays and white light-emitting diodes. Mater Res Bull. 60, 876-881 (2014).
  37. Ding, D., et al. X-ray-activated simultaneous near-infrared and short-wave infrared persistent luminescence imaging for long-term tracking of drug delivery. ACS Appl Mater Interfaces. 13 (14), 16166-16172 (2021).
  38. Zhao, X., Wei, X., Chen, L. J., Yan, X. P. Bacterial microenvironment-responsive dual-channel smart imaging-guided on-demand self-regulated photodynamic/chemodynamic synergistic sterilization and wound healing. Biomater Sci. 10 (11), 2907-2916 (2022).
  39. Huang, K., et al. Enhancing light and X-ray charging in persistent luminescence nanocrystals for orthogonal afterglow anti-counterfeiting. Adv Func Mater. 31 (22), 2009920 (2021).
  40. Sun, L., Qi, Y., Jia, C. J., Jin, Z., Fan, W. Enhanced visible-light photocatalytic activity of g-C3N4/Zn2GeO4 heterojunctions with effective interfaces based on band match. Nanoscale. 6 (5), 2649-2659 (2014).
  41. Gupta, S. K., Sudarshan, K., Modak, B., Gupta, R. Interstitial zinc boosted light tunability, afterglow, and ultrabright white emission in zinc germanate (Zn2GeO4). ACS Appl Electron Mater. 5 (2), 1286-1294 (2023).
  42. Calderón-Olvera, R. M., et al. Persistent Luminescence Zn2GeO4:Mn2+ nanoparticles functionalized with polyacrylic acid: One-pot synthesis and biosensing applications. ACS Appl Mater Interfaces. 15 (17), 20613-20624 (2023).
  43. Li, Q., Miao, X., Wang, C., Yin, L. Three-dimensional Mn-doped Zn2GeO4 nanosheet array hierarchical nanostructures anchored on porous Ni foam as binder-free and carbon-free lithium-ion battery anodes with enhanced electrochemical performance. J Mater Chem A. 3 (42), 21328-21336 (2015).
  44. Lai, B., et al. A phosphorescence resonance energy transfer-based "off-on" long afterglow aptasensor for cadmium detection in food samples. Talanta. 232, 122409 (2021).
  45. Chi, F., et al. Multimodal temperature sensing using Zn2GeO4:Mn2+ phosphor as highly sensitive luminescent thermometer. Sens Actuat B: Chem. 296, 126640 (2019).
  46. Yin, S., Chen, D., Tang, W., Peng, Y. Synthesis of CaTiO3:Pr persistent phosphors by a modified solid-state reaction. Mater Sci Eng: B. 136 (2-3), 193-196 (2007).
  47. le Masne de Chermont, Q., et al. Nanoprobes with near-infrared persistent luminescence for in vivo imaging. Proc Natl Acad Sci U S A. 104 (22), 9266-9271 (2007).
  48. Li, Z., Shi, J., Zhang, H., Sun, M. Highly controllable synthesis of near-infrared persistent luminescence SiO2/CaMgSi2O6 composite nanospheres for imaging in vivo. Opt Express. 22 (9), 10509-10518 (2014).
  49. Sera, M., et al. Morphology control and synthesis of afterglow materials with a SrAl2O4 framework synthesized by Surfactant-Template and hydrothermal methods. Chem Phys Lett. 780, 138916 (2021).
  50. Kim, J., Lee, C. K., Kim, Y. J. Low temperature synthesis of Lu3Al5-xGaxO12:Ce3+,Cr3+ powders using a sol-gel combustion process and its persistent luminescence properties. Optic Mat. 104, 109944 (2020).
  51. Xu, Z., et al. Ln(3+) (Ln = Eu, Dy, Sm, and Er) ion-doped YVO(4) nano/microcrystals with multiform morphologies: hydrothermal synthesis, growing mechanism, and luminescent properties. Inorg Chem. 49 (4), 6706-6715 (2010).
  52. Wang, Y., et al. Zn2GeO4−x/ZnS heterojunctions fabricated via in situ etching sulfurization for Pt-free photocatalytic hydrogen evolution: interface roughness and defect engineering. Phys Chem Chem Phys. 22 (18), 10265-10277 (2020).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

JoVE 211

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved