Luminoivat lantanidiohutkalvot ja niiden käyttö sensoreissa sekä valaistusmateriaaleissa

Abstract

Metalliorgaaniset verkkorakenteet eli MOF:t ovat huokoisia, kiteisiä materiaaleja. Niissä metalli-ionit tai metalli-ioneja sisältävät klusterit on liitetty toisiinsa orgaanisilla linkittäjillä, luoden rakenteeltaan kaksi- ja kolmiulotteisia verkkoja. Useat ominaisuudet, kuten laaja pintaala, hyvä absorptiokyky sekä huokosten koon muokattavuus, mahdollistavat metalliorgaanisten verkkorakenteiden käytön monenlaisissa sovelluksissa. Tavallisimpiin käyttötarkoituksiin lukeutuu molekyylien tunnistus, varastointi, katalyysireaktioihin osallistuminen sekä lääkeaineiden kuljetus. Lantanidipohjaiset metalliorgaaniset verkkorakenteet eli LnMOF:t ovat yksi MOF:ien alaluokka, jossa metallina toimii jokin lantanidi-ioni, yleensä muodossa Ln3+. LnMOF:ien käyttöä on tutkittu erityisesti kemialliseen tunnistukseen sekä valaistusmateriaaleissa niiden luminesenssin uniikkien ominaisuuksien takia. Luminoivien lantanidien emissiot ovat pitkäikäisiä ja luminesenssin intensiivisyys vaihtelee herkästi lantanidi-ionin ympäristön perusteella. Käyttämällä näitä luminoivia lantanideja MOF:issä, saadaan sekä valmistusvaiheessa että post-synteettisesti muokattavia materiaaleja, jotka toimivat luminesenssin perusteella ionien, molekyylien ja lämpötilan havainnoinnissa sekä valonlähteinä. LnMOF:iä voidaan valmistaa ohuina kalvoina käyttäen useita eri valmistusmenetelmiä, joista suoraviivaisin sekä yleisin on solvoterminen in situ-kasvatus, jossa verkkorakenteen ionit ja ligandit ovat lähtötilanteessa nestemäisessä muodossa. Nestefaasitekniikoiden lisäksi ohutkalvoja voidaan valmistaa myös kaasufaasiin perustuvilla tekniikoilla sekä sähkökemiallisesti. Jokaisella valmistusmenetelmällä on kuitenkin omien vahvuuksiensa lisäksi heikkoutensa, mitkä vaikeuttavat lantanidiohutkalvojen tuottamista laajemmassa mittakaavassa ja siten myös kaupallistamista. Lantanidiohutkalvoilla on samat ominaisuudet kuin perinteisemmillä, jauhemaisilla LnMOF:illä, mutta niillä on muotonsa vuoksi myös muita vahvuuksia. Ohutkalvojen muotoa sekä kokoa on mahdollista muokata tarpeiden mukaan, ja kalvoja on helppo säilyttää sekä kuljettaa. Niillä on myös hyvä kemiallinen vakaus, ja käyttäen oikeanlaista liuotinta pesemiseen, kalvoja voidaan käyttää uudelleen. Lantanidien käyttöön perustuvat ohutkalvot ovat kuitenkin vielä melko uusia materiaaleja, joiden valmistus ja käyttö vaativat lisää tutkimustyön tekemistä.