Mere knald på det fluorescerende lys kan gøre solceller mere effektive

Fluorescerende farvestoffer begrænses af, at de, hvis de pakkes for tæt sammen, brænder energien af som varme i stedet for lys. Illustration: Københavns Universitet

Hvis der kunne komme mere knald på lyset fra fluorescerende stoffer, ville det være nemmere at diagnosticere f.eks. kræft. Solceller kunne blive mere effektive, og det samme kunne mindre lasere.

Det var med den forventning, at et forskerhold satte sig for at afprøve en idé til at skrue op for styrken i de klassiske fluorescerende stoffer, som bl.a. bliver anvendt på hospitalerne.

»Fidusen ligger i at kunne pakke farvestofferne tættere sammen i krystaller, uden at de påvirker hinanden, så de i stedet slukker. Det har været det klassiske problem for os alle, der arbejder med fluorescerende stoffer,« fortæller Bo Wegge Laur­sen, professor på Institut for Kemi på Københavns Universitet.

Han forklarer videre, at hvis man f.eks. ønsker at farve plastic med en fluorescerende opløsning, så har man ikke mulighed for at mætte plasten med særlig meget farve – ikke engang 1 procent. Men nu er det lykkedes at fremstille plastmaterialer med op til 10 procent farvestof.

Bo Wegge Laursens forskningsgruppe gik sammen med en række forskere på Indiana University i USA for at arbejde på at løse problematikken. Det skete, efter en studerende fra Indiana, som var på et forskningsophold i København, fik et spændende resultat i laboratoriet.

Lyset slukkes

Fidusen ved fluorescerende farvestoffer er, at de er konstrueret, så de absorberer lys, men har svært ved at udskille al energien som varme. Derfor sendes den ud igen som lys i en anden, ønsket bølgelængde.

Men når de fluorescerende molekyler kommer meget tæt på hinanden, opstår der nogle nye elektroniske overgange i molekylerne, som ikke er lige så hurtige til at fluorescere, og det giver molekylerne mere tid til at afsætte energien som varme. Det betyder til gengæld, at lyset falder i styrke, forklarer Bo Wegge Laursen om fænomenet, der kaldes concentration self-quenching.

»Vi har så fundet et stof, der fungerer som en slags mellemlægspapir, så fluorescensfarvestofferne ikke kan røre ved hinanden. På den måde kan man skrue kraftigt op for tætheden af farvestoffer,« siger han.

I virkeligheden eksisterede ‘mellemlægspapiret’ allerede. Det hedder cyanostar og er et stjerneformet molekyle, som kan binde anioner i sit hule indre.

Når stoffet tilsættes farvestoffer, som er kationer, bliver de små, medfølgende anioner i farvestofferne pakket ind i cyanostar-­molekylerne og holder kationerne fra hinanden.

Molekylet, som i sig selv er farve­løst, blev skabt for nogle år siden på netop Indiana University og blev flittigt brugt i forskningen inden for genkendelse og adskillelse af anioner.

Ved at pakke 3D-printede molekyler ind i stoffet cyanostar, så farvestofferne ikke rører hinanden, kan man øge koncentrationen uden ‘slukning’. Herover 3D-printede gyroider, som har fået påført cyanostar. Tv. under hvidt lys, th. under UV-lys. Illustration: Københavns Universitet

Succes i første forsøg

Men det var først, da den amerikanske studerende kom til København med lidt cyanostar i bagagen og blandede det med farvestoffer udviklet i Bo Wegge Laursens forskningsgruppe, at løsningen på det klassiske problem stod lysende klar:

»Det virkede i første forsøg. Så vi skyndte os at patentere ideen sammen og starte et lille firma. Så nu skal vi se på, hvad de mest oplagte produkter vil være,« fortæller Bo Wegge Laursen.

De første planer retter sig mod materialer til mindre lasere, hvor man i dag bruger flydende opløsninger med farvestoffer til at generere laserlys i forskellige farver. Det nye stof vil det give mulighed for at lave små, faste engangsmaterialer, så man hurtigt kan skifte farve på laseren, siger han videre.

På længere sigt har gruppen øjnene rettet mod den biomedicinske forskning, der har brug for endnu kraftigere fluorescerende farvestoffer til mange ting, bl.a. diagnosticering af kræftsygdomme eller tilstedeværelse af antistoffer mod en virus.

»Men det kræver, at vi kan producere meget små partikler i nanostørrelse, der f.eks. kan bindes til dna og proteiner. Vi har allerede lovende resultater med dannelse af partikler, men vi er også nødt til at få etableret nogle partnerskaber inden for de medicinske anvendelser,« lyder det fra Bo Wegge Laursen.

Resultaterne er publiceret i tidsskriftet Cell og kan læses på bit.ly/ingflu.