zoektocht naar rood glow-in-the-dark-materiaal Licht in de duisternis Van sterretjes boven je bed tot noodverlichting in het vliegtuig: materialen die licht geven in het donker kennen de gekste toepassingen. Vandaag bestaan ze alleen in wit-groen licht, maar onderzoekers zijn nu eindelijk ook rood licht op het spoor. Zo kan glow-in-the-dark onder meer ook zijn intrede doen in de geneeskunde. Eos 96 Door Koen VAN DEN EECKHOUT S erendipiteiten, onverwachte ontdekkingen die belangrijker blijken te zijn dan waar je eigenlijk naar op zoek was, zorgen soms voor de grootste doorbraken in de wetenschappelijke vooruitgang. De alchemisten waren eeuwen geleden de onbetwiste meesters van de serendipiteit. De felbegeerde ‘Steen der Wijzen’, die alledaagse materialen in zuiver goud kan veranderen, hebben ze nooit gevonden. Maar hun verbeten zoektocht ernaar heeft de wereld een overvloed aan merkwaardige fenomenen opgeleverd. Zo ook in 1602, in de Italiaanse stad Bologna. Toen schoenmaker en hobby-alchemist Vincenzo Cascariolo een bijzondere steen verhitte, die hij op een naburige heuvel had gevonden, bleek die op mysterieuze wijze op te lichten in het donker. Alsof de steen overdag het zonlicht absorbeerde als een spons, en het ’s nachts met mondjesmaat terug uitzond. Het nieuws over de raadselachtige lichtgevende steen verspreidde zich als een lopend vuurtje door de wetenschappelijke wereld te verfraaien, en ook vandaag blijft decoratie een van de bekendste toepassingsgebieden. Zo bestaan er schoenen, T-shirts, fietsen en brillen die licht geven in het donker, en de lichtgevende sterren voor op het plafond hebben hun weg gevonden naar talrijke tienerslaapkamers. In openbare gebouwen, winkels en vliegtuigen bestaat de noodsignalisatie vaak uit persistente luminescente materialen, zodat zelfs als de stroom uitvalt, de weg naar de nooduitgang zichtbaar blijft. Op internetfora van uurwerkliefhebbers woeden hevige discussies over welke persistente luminescente stof het meest geschikt is om een wijzerplaat mee te verlichten. En recent werd de mensheid zelfs verblijd met glow-in-thedark toiletpapier. Persistente luminescentie is springlevend. Een kleine familie Alle toepassingen hebben één ding gemeen: de karakteristieke wit-groene kleur van het licht dat ze uitzenden. Dat komt omdat ze allemaal gebruikmaken van hetzelfde mate- Een STOP-bord moet in het donker felrood oplichten, niet lichtgroen en trok zelfs de aandacht van Galileo Galilei. Maar een geloofwaardige en degelijk onderbouwde verklaring van het fenomeen liet op zich wachten tot de twintigste eeuw. En eigenlijk begrijpen we het vandaag nog steeds niet helemaal. Decoratie Het mysterieuze verschijnsel dat Cascariolo waarnam, wordt vandaag glow-in-the-dark genoemd, of, in het vakjargon, persistente luminescentie. Het is eigenlijk een uitbreiding van ‘gewone’ luminescentie, een fenomeen waarbij materialen energie absorberen en die gebruiken om licht te produceren (zie ‘Koud licht’). In tegenstelling tot zulke ‘gewone’ luminescente materialen, die maar zolang licht uitzenden als er energie aangevoerd wordt, blijven persistente luminescente materialen minuten of zelfs uren ‘nagloeien’ in het donker. Deze lichtgevende stoffen werden in de Chinese oudheid al gebruikt om schilderingen Eos 97 riaal: strontiumaluminaat (SrAl2O4), aangevuld met kleine hoeveelheden van het element europium. Het is eigenlijk verrassend dat dit het enige materiaal is dat op grote schaal wordt gebruikt in glow-in-the-dark-toepassingen. Er zijn immers vele honderden luminescente materialen bekend. Maar slechts een handvol is ook persistent luminescent. En van die beperkte familie is er maar één waarvan het licht krachtig genoeg is om gebruikt te worden in bijvoorbeeld noodverlichting of wijzerplaten. Bovendien werd dit materiaal pas in 1995 ontdekt. Voordien koos men vaak voor het veel minder heldere zinksulfide, waarin dan kleine hoeveelheden radioactieve tritiumatomen werden gemengd om de lichtemissie op gang te houden. Toen het volledig onschadelijke strontiumaluminaat ten tonele verscheen, nam de industrie het dan ook dankbaar in gebruik. Verwacht werd dat in een mum van tijd tientallen soortgelijke materialen zouden opdui- minder helder dan het oorspronkelijke strontiumaluminaat. Nochtans is de vraag naar heldere glowin-the-dark-materialen met verschillende kleuren groot. Zo zou noodsignalisatie erg wordt gebruikt. De keuzes hiervoor zijn legio, onder meer zwavel-, zuurstof-, stikstof-, chloor- en fluorverbindingen worden vaak gebruikt. Als tweede ingrediënt is een stof nodig die voor de lichtproductie zorgt. Dat zijn Er zijn honderden lichtgevende materialen, maar slechts een handvol blijft ook licht geven in het donker iets praktisch ken in laboratoria, die nog helderder waren en nog langer bleven schijnen in het donker. Maar ondanks verwoede pogingen bleef het verhoopte succes uit. De gevolgde trial-anderror-aanpak bleek geen vruchten af te werpen. Slechts een tiental verschillende glow-in-thedark-stoffen werden ontdekt, bijna steeds met eenzelfde groene of blauwe kleur, en allemaal gebaat zijn bij een rood persistent luminescent materiaal. Een STOP-bord moet in het donker felrood oplichten, en niet lichtgroen. Bovendien duurt het nalichten van het groene strontiumaluminaat maar enkele uren, terwijl verkeerssignalisatie best een hele nacht zichtbaar blijft. Onder de motorkap Om op een efficiënte manier nieuwe en betere materialen te ontwikkelen, is het cruciaal om het mechanisme achter persistente luminiscentie te ontrafelen. Elk lichtgevend materiaal, ook een niet-persistent, heeft twee ingrediënten. Enerzijds is er het gastmateriaal, meestal in poedervorm, dat als vertrekpunt ionen, soms alledaagse, zoals koper of ijzer, maar vaak komen ze uit de meer exotische regionen van de tabel van Mendelejev, zoals yttrium, telluur of bismut. Een heel belangrijke groep vormen de zeldzame aarden, de reeks onderaan in de periodieke tabel, gelegen tussen lanthaan en lutetium. Deze ionen worden in uiterst kleine hoeveelheden aan het gastmateriaal toegevoegd. Omwille van deze zeer lage concentraties worden ze meestal onzuiverheden of dopanten genoemd. In deze ionen wordt het licht geproduceerd. Dat gebeurt in twee stappen. Eerst wordt een lichtdeeltje (foton) geabsorbeerd, waardoor een van de elektronen in het ion geëxciteerd wordt – het wordt naar een hoger energieni- Koud licht Het licht dat materialen uitzenden als ze tot erg hoge temperaturen worden opgewarmd, wordt vaak omschreven als ‘warm licht’. Voorbeelden zijn een roodgloeiend stukje houtskool, de wolfraamdraad in een gloeilamp of het door kernfusie verhitte plasma van de zon. Er zijn echter nog andere manieren om licht te produceren, die dan worden samengevat onder de noemer ‘koud licht’ of ‘luminescentie’. Dit ‘koud licht’ kan onderverdeeld worden in verschillende klassen, afhankelijk van hoe de energie wordt verkregen die nodig is om het licht te produceren. Zo onderscheiden we onder meer chemiluminescentie, opgewekt door chemische processen, zoals in glowsticks die vaak op feestjes of als noodverlichting in het leger gebruikt worden. Als zo’n stok breekt, komen twee of meer chemische stoffen met elkaar in contact, waarbij lange tijd helder licht wordt uitgezonden. Een vergelijkbaar fenomeen, bioluminescentie, treedt op in organismen zoals glimwormen, lichtgevende paddenstoelen of diepzeevissen en -kwal- len. Een andere klasse van koud licht, kathodeluminescentie, vindt plaats wanneer een materiaal oplicht als het wordt beschoten met elektronen zoals in ouderwetse tv-schermen. Als een stof licht absorbeert, en de energie hiervan gebruikt om op haar beurt licht (met een andere golflengte) uit te zenden, spreken we van fotoluminescentie. De rol van luminescentie in ons dagelijks leven is niet te onderschatten. De beveiliging van bankbiljetten, forensisch onderzoek, de textiel- en papierindustrie, markeerstiften, veiligheidskledij, beeldschermen, noodsignalisatie, verlichting: allemaal maken ze dankbaar gebruik van de verschillende verschijningsvormen van ‘koud licht’. Panellus stipticus Eos 98 veau getild. Wanneer dit elektron korte tijd later terugvalt naar zijn oorspronkelijke energieniveau, wordt het overschot aan energie opnieuw als foton uitgezonden. Een klein deeltje van de energie gaat tijdens deze cyclus verloren als warmte, waardoor het uitgezonden licht een andere golflengte heeft, en dus een andere kleur, dan het geabsorbeerde licht. De precieze kleur wordt bepaald door het type ion dat als dopant is gebruikt, en door het samenspel tussen dopant en gastmateriaal. Gevangen In een luminescent materiaal dat persistent is, gebeurt iets merkwaardigs. Af en toe valt een geëxciteerd elektron niet braafjes terug naar zijn oorspronkelijke energieniveau, maar ontsnapt het aan zijn ion, waardoor het vrij kan gaan bewegen in het gastmateriaal. In dit gastmateriaal zitten vaak nog andere, gewenste of ongewenste, onzuiverheden. Dat kunnen andere types ionen zijn, of defecten in de verder perfect geordende structuur van het gastmateriaal. Zulke onzuiverheden kunnen het ontsnapte elektron vangen en voor lange tijd vasthouden. Ze worden dan ook meestal aangeduid met de term ‘ladingsvallen’. In de natuur is niets voor eeuwig. Na verloop van tijd zullen de gevangen elektronen er, met behulp van energie van de omgevingswarmte, in slagen te ontsnappen uit hun ladingsvallen en zich opnieuw te verenigen met hun ion, dat nog steeds geduldig zit te wachten op het verloren elektron. Pas als dat gebeurt, kan het elektron zijn overschot aan energie opnieuw kwijtraken en een foton uitzenden. Door de aanwezigheid van de ladingsvallen is de productie van licht als het ware vertraagd. Daardoor kunnen glow-in-the-dark-sterren op het plafond blijven nagloeien terwijl het licht in de kamer al uren geleden is uitgegaan. Overige 13% Nitrides Sulfides Boraten Fosfaten Oxides 87% Van alle in de literatuur beschreven glow-in-the-dark materialen is bijna 90% gebaseerd op oxides. Aluminaten Verlicht medicijn Het praktisch nut van glow-in-the-dark-materialen mag misschien klein lijken, maar schijn bedriegt. Zo is er recent een groeiende belangstelling uit de medische wereld. Als we erin slagen erg kleine lichtgevende deeltjes te produceren, met een diameter van slechts enkele tientallen nanometer, kunnen die gebruikt worden om de verspreiding van geneesmiddelen in het lichaam te volgen. De deeltjes worden hierbij vastgehecht aan de molecule die artsen willen volgen, en belicht vóór ze in de patiënt geïnjecteerd worden. Met een gevoelige camera kunnen artsen dan het licht waarnemen dat de glow-in-the-dark-deeltjes uitzenden op hun weg doorheen de bloedvaten of in de organen. Zo kan – in vivo – de verdeling van het geneesmiddel in het lichaam van de patiënt gevolgd worden. Belangrijke voorwaarde: het uitgezonden licht moet rood zijn, want alleen deze kleur wordt niet volledig tegengehouden door het menselijk lichaam. Soortgelijke technieken worden vandaag al toegepast, maar maken gebruik van radioactieve deeltjes of schadelijke uv-straling. In deze nieuwe techniek, waarbij de glow-in-the-darkdeeltjes vóór het inspuiten kunnen worden opgeladen, blijft het risico voor de patiënt tot een minimum beperkt. Voorlopige tests bij muizen tonen aan dat het principe werkt, maar dat de deeltjes nog te groot zijn – waardoor ze al snel door de lever uit het bloed worden gefilterd – en dat hun licht nog te zwak is voor praktische toepassing. Dit ontsnappen en vangen van elektronen doet zich slechts in een handvol materialen voor. Als we een luminescent materiaal willen maken dat ook persistent is, zijn onze keuzes dan ook beperkt. Nagenoeg alle bekende glow-in-the-dark-materialen zijn gebaseerd op zuurstofverbindingen (oxides), vooral aluminaten (op basis van aluminium) en silicaten (op basis van silicium). Het blijkt erg moeilijk om met andere stoffen een lange en heldere nalichting te verkrijgen. Als dopant wordt bijna uitsluitend voor europium, een van de zeldzame aarden, gekozen. In een europiumion duurt het terugvallen van een geëxciteerd elektron namelijk uitzonderlijk lang, waardoor het genoeg tijd heeft om aan het ion te ontsnappen en in een ladingsval terecht te komen. Nieuwe horizonten Maar het gebruik van oxides als gastmateriaal en europium als dopant heeft zo zijn beperkingen. Een europiumion kan vele verschillende kleuren uitzenden, afhankelijk van het gastmateriaal waarin het is ingebed. Zo heeft europium in calciumfluoride een blauwe kleur, terwijl het rood licht geeft als het in calciumsulfide (op basis van zwavel) is ingebouwd. Silicaten Maar nog niemand is erin geslaagd om in een oxide rood europium-gebaseerd licht te krijgen. Als we we rode glow-in-thedark STOP-borden willen maken, moeten we dus kijken naar alternatieve gastmaterialen. Sommige opties, zoals de hierboven vermelde zwavelverbindingen, vallen al snel af, want ze zijn erg onstabiel en als ze in con- Eos 99 tact komen met water produceren ze een giftig en stinkend gas. Onderzoekers aan de Universiteit Gent ontdekten persistente luminescentie in een nieuwe groep materialen gebaseerd op silicium en stikstof. Deze materialen worden al veelvuldig gebruikt in ledverlichting, maar door toevoeging van de juiste soort onzuiverheden (enkele ionen thulium, een ander element in de zeldzame-aard-familie) blijft hun oranje-rode licht ongeveer anderhalf uur nagloeien in het donker. Bovendien kan dit materiaal worden opgeladen met blauw licht, in tegenstelling tot de meeste andere glowin-the-dark-stoffen die uv-licht vereisen. Dat is nuttig voor toepassingen binnenshuis, waar weinig of geen uv-licht aanwezig is. Ten slotte zijn ze ook erg stabiel, ze worden niet of nauwelijks aangetast door warmte of water. Rode glow-in-the-dark-materialen lijken dus binnen handbereik. Verschillende vragen blijven echter nog onbeantwoord. Zo is het nog onduidelijk wat de precieze aard van de ladingsvallen is. Sommige stoffen waarin we heldere persistente luminescentie verwachten, geven helemaal geen licht in het donker. Omgekeerd zijn er ook volledig onverwachte glow-in-the-dark-materialen. Nieuwe, geavanceerde experimenten moeten laten zien wat er achter de schermen van dergelijke materialen gebeurt. Met deze nieuwe informatie kunnen we dan gericht op zoek naar andere glow-in-the-dark stoffen, met feller licht dat langer blijft stralen in verschillende kleuren. Dan kunnen we de mensheid eindelijk geven wat ze verdient: glow-in-the-dark-toiletpapier in alle kleuren van de regenboog ... ■ Koen Van Den Eeckhout is onderzoeker aan de Universiteit Gent. Hij voert momenteel een promotie-onderzoek uit naar glow-in-the-darkmaterialen.
© Copyright 2024 ExpyDoc
