Investigar Propriedades de Materiais Fluorescentes e Fosforescentes
Lembra-se de uma cena como esta na sua infância? Os seus pais davam-lhe apenas uma moeda, você colocava a moeda numa máquina, virava a maçaneta e era recompensado com uma frágil bolha de plástico, encapsulando uma bola saltitante verde néon. A sua próxima prioridade: correr para casa, segurar por 10 minutos a bola sob a luz da lâmpada mais brilhante que conseguisse encontrar, e então ir para uma sala com todas as luzes apagadas e observar como a bola brilhava. Entretenimento instantâneo.
Isto foi muito divertido algumas décadas atrás, mas agora encontramo-nos um pouco mais velhos e mais propensos a ler artigos sobre o que há de mais recente em ciência e tecnologia. Então, o que estava a acontecer com aqueles brinquedos da sua infância que brilhavam no escuro? E são essas mesmas propriedades em funcionamento hoje em indústrias e aplicações mais vitais?
A fotoluminescência é a propriedade de uma substância absorver fotões dentro de algum limiar de energia e, em seguida, reemiti-los em comprimentos de onda maiores. Normalmente, a fotoluminescência é dividida em duas classes, fluorescência e fosforescência.
Estamos todos familiarizados com a tinta fluorescente, que pode dar vida a qualquer festa com uma distribuição adequada de luzes negras UV. Mas esta excitação UV é consistentemente necessária para que a fluorescência ocorra, uma vez que exibe um decaimento tão rápido, geralmente na escala de tempo de nanossegundos ou mais rápida. O que torna os materiais que brilham no escuro especiais é que mesmo quando as luzes de excitação se apagam, há ainda brilho. Isto é devido a um processo de transferência muito mais lento que envolve estados quânticos proibidos e que pode levar de segundos a minutos ou horas para total relaxamento.
Hoje, os materiais fotoluminescentes têm sido aproveitados para muitos efeitos práticos e de segurança, além dos brinquedos infantis (Figuras 1, 2), e no mundo pós-11 de setembro foram escritos em International Building Code (IBC) e International Fire Code (IFC) para saída e marcações de escada (Jessup, 2018). A seção 1025 do 2015-IBC afirma que marcações com auto luminosidade são necessárias em todas as etapas da rota de saída, desembarques, corrimãos, perímetros, obstáculos e portas em muitas classes de edifícios de um determinado tamanho, incluindo hospitais, escolas, empresas, hotéis, locais de reunião pública e residências (American PermaLight, 2018). A habilidade dessas marcações para iluminar o caminho não são arbitrárias; existem métodos padrão ASTM para verificar a fotoluminescência e quantificar seu declínio para uma milicandela por metro quadrado de nível (mcd/m2).
A Ocean Insight é um conhecido fornecedor de ferramentas para a investigação e quantificação de materiais fosforescentes. Recentemente expandimos nossa caixa de ferramentas de deteção para incluir algo muito emocionante: uma fonte de LED altamente ajustável, variável, de forma de onda tanto para estado estacionário ou análises ao longo do tempo. A fonte de luz LED da série LSM é um pacote multicomponente que permite versatilidade num formato intuitivo (Figura 3). O módulo controlador ecrã táctil suporta emissões de estado estacionário e de onda contínua num nível de potência definido pelo utilizador. As formas de onda incluem quadrado, seno e triângulo por padrão, mas também suporta formas de onda externas acionadas através de um gerador de função. Os LEDs de banda estreita estão disponíveis entre 265 e 880 nm e uma fonte de banda larga branca quente também está disponível para aplicações de absorvância e refletância.
Para demonstrar o valor destes novos LEDs para fosforescência, adquirimos vários materiais fósforos para serem quantificados usando sistemas Ocean Insight.
Os fabricantes de marcações de segurança fotoluminescentes precisam de métodos mais fortes e protocolos de CQ mais apertados para garantir produtos consistentes. Pesquisadores que investigam a próxima geração destes materiais precisam de ferramentas mais avançadas para quantificar os novos materiais e compará-los com os velhos. Arquitetos, inspetores de segurança e reguladores precisam de novas abordagens para verificar se as marcações atendem ao padrão atual e podem usar parâmetros adicionais para definir o que é “bom” e “mau” no futuro das marcações.
Os seguintes compostos fosforescentes foram obtidos da Millipore-Sigma:
- Aluminato de Estrôncio dopado com Európio e Disprósio. O nome comercial deste composto é LumiBrite, que é frequentemente usado para fazer relógios de mão que brilham no escuro.
- Aluminato de Bário e Magnésio dopado com Európio
- YYG 557 230 isophor®
Em seguida, configuramos os produtos de espetroscopia Ocean Insight para a configuração:
- Fontes de luz LED da série LSM
- Espectrómetro de alta velocidade Ocean FX. Foi escolhida a opção de alcance estendido OCEAN-FX-XR1 (200-1025 nm).
- Sonda de reflexão premium de fibra ótica QR600-7-UV 6 em torno de 1
- Software operacional OceanView
Para cada composto foi separado para um prato de pesagem um pequeno monte de pó cru, cerca de 0,2 g. A sonda de fibra ótica foi posicionada sobre o pó virada para baixo, e aproximada o mais possível sem entrar em contato o material, dentro de 3 mm.
A luminosidade destes materiais não é nada menos que incrível, e várias pessoas ao redor do laboratório fizeram o comentário de que parece que esses materiais de alguma forma emitem mais fotões do que absorvem (claro, simplesmente não estamos a ver a excitação UV tão eficientemente).
Os LEDs da série LSM são versáteis, oferecendo uma ampla gama de opções de comprimento de onda. Ao trabalhar através de seleções de LED facilmente alteráveis, é possível encontrar rapidamente o comprimento de onda de excitação ideal para cada um dos compostos a serem medidos.
Descobrimos que 365 nm é o comprimento de onda ideal de excitação para os dois compostos (Figuras 4, 5), enquanto 405 nm é a melhor escolha para o material YYG 557 230 isophor® (Figura 6). Para fabricação de marcadores de segurança, por exemplo, conhecer precisamente os picos máximos para estes produtos químicos é útil durante o CQ e etapas de inspeção pós-implementação. Também a distribuição em banda larga das emissões químicas fornece um nível mais profundo de compreensão e verificação de qualidade.
Agora que os LEDs ideais foram determinados, podemos começar a aproveitar outra vantagem dos LEDs da série LSM – a sua forma de onda rigidamente controlada e altamente personalizável. A espectroscopia ao longo do tempo tem vantagens que não encontramos no estado estacionário, que são habilitados pelo espectrómetro de alta velocidade de banda larga Ocean FX. Com 10 microssegundos tempo de integração e uma opção exclusiva de modo Burst, o Ocean FX pode fornecer uma visão muito mais profunda nos parâmetros físicos inerentes de um composto que permaneceria escondido com espectrómetros tradicionais.
Ondas quadradas, ou pulso simples, têm muitos usos em toda a indústria e são uma abordagem padrão para quantificar o tempo de decaimento de um material fotoluminescente. O módulo LED da série LSM foi configurado para uma onda quadrada de 20 Hz alimentando a excitação de 365 nm, e a emissão de 525 nm resultante foi observada do composto Lumibrite (Figura 7).
Talvez tenhamos observado isto e decidido que não é necessário muito tempo para o LED acender, mas poderíamos usar tempo de folga adicional para deixar a fosforescência decair um pouco mais. O módulo da série LSM permite o controlo total dos ciclos de trabalho da onda quadrada para ajustar os perfis de onda com base no seu composto. A Figura 8 mostra o ciclo de trabalho deslocado para 25% para que alcancemos o desejado off-time adicional, mantendo o sistema geral a 20Hz.
O nosso outro composto de aluminato apresenta uma resposta diferente, onde o upcharge é essencialmente instantâneo e então começa a relaxar apesar potência de excitação ainda estar ligada (Figura 9).
Outra forma de onda popular no mundo da engenharia elétrica é a onda sinusoidal clássica, que tem o seu próprio conjunto de aplicações matemáticas quando se trabalha com deslocamentos de fase. Configurando módulo da Série LSM para a configuração de onda sinusoidal em 100 Hz, o composto Lumibrite foi observado com excitação de 365 nm. Isto permite-nos calcular a mudança de fase em graus, que é outra propriedade ótica do composto no seu estado atual (Figura 10).
A versatilidade continua com opções para ondas triângulo e para formas de onda personalizadas geradas a partir um gerador de funções. Para o investigador que desenvolve um novo material luminescente, o fabricante de marcadores de segurança luminescentes monitorizando os seus produtos, e o inspetor que garante que esses produtos fornecem orientação suficiente em caso de emergência, as ferramentas espectrais Ocean Insight ajudam a identificar, qualificar e descobrir dimensões adicionais de cada composto.
Quer seja para tomar observações iniciais de estado estacionário de um material ou para mergulhar em análises ao longo do tempo à escala de microssegundos, o módulo LED da série LSM e o espectrómetro de alta velocidade Ocean FX trabalham em harmonia para oferecer os resultados de precisão esperados. Trabalhe connosco para expandir a sua caixa de ferramentas óticas com a nova fonte de luz LED da série LSM Kit, e esteja preparado para o próximo composto fotoluminescente que salte na sua direção.
American PermaLight. (2018). IBC/IFC Compliant UL1994 Egress Path Markings. Retrieved from American PermaLight: https://www.americanpermalight.com/ibc-ifc-compliant-ul1994-listed-egress-path-markings/
Jessup. (2018). Product Compliance of Photoluminescent Films. Retrieved from Jessup Adhesive Coated Films: https://www.jessupmfg.com/ faq/