Preparazione di alcuni composti Fosforescenti

L’Esperimento

E’ abbastanza semplice preparare composti che presentano il fenomeno della fosforescenza. Partendo da molecole organiche fluorescenti ed inserendole in una matrice vetrosa si riduce di molto l’efficienza dei processi di rilassamento non-radiativi. In pratica la molecola viene intrappolata in una matrice vetrosa o cristallina e la sua mobilità viene di molto ridotta. In queste condizioni (sono condizioni simili a quelle che si ottengono riducendo la temperatura) viene “accesa” la fosforescenza della molecola.

Nel nostro esperimento abbiamo utilizzato due molecole fluorescenti molto utilizzate : la fluoresceina e la cumarina. La matrice vetrosa è stata ottenuta fondendo dell’acido borico ed incorporando nella massa fusa una piccola quantità del fluoroforo in polvere. Successivamente si lascia raffreddare il composto ottenuto e lo si riduce in polvere. Se tutto è andato bene quello che si ottiene è un materiale fosforescente, verde nel caso della fluoresceina, blu chiaro per la cumarina.

I composti ottenuti sono stati esaminati con il nostro “fosforimetro”, come si vede nella immagine sotto :

Fluoresceina

La fluoresceina sodica (o sale sodico della fluoresceina o uranina) è un colorante fluorescente molto utilizzato.
A temperatura ambiente si presenta come un solido rosso-bruno inodore, che emette una intensa fluorescenza nella gamma 520-530 nm (di colore giallo-verde, molto caratteristica) quando viene eccitata da raggi ultravioletti e nella gamma del blu (465-490 nm).
Per la sua fluorescenza verdastra e persistente anche a diluizioni elevate, tale composto è infatti impiegato per individuare il percorso di acque sotterranee.

Nella immagine a lato si vede la cuvetta con il composto ottenuto con la fluoresceina e l’acido borico. Nella immagine sotto si vede invece lo spettro della fluorescenza eccitata da sorgente UV.

I grafici presentati sotto mostrano l’andamento della emissione della fosforescenza per la fluoresceina fusa in acido borico. Le misurazioni sono state fatte con il campione a due temperature diverse : una a temperatura ambiente (20 °C) ed una a bassa temperatura (< 0 °C).
Dai grafici si vede nettamente che a bassa temperatura la fosforescenza dura più a lungo, l’intensità massima rimane la medesima ma il decadimento è più lento. Questo è in accordo con il modello fisico della fosforescenza che prevede che le vie di decadimento non radiative – in competizione con la modalità radiativa – dipendano fortemente dalla temperatura : a temperature più basse il decadimento termico è meno efficiente e quindi la fosforescenza dura più a lungo.

Passando alla scala logaritmica risulta evidente l’andamento esponenziale del decadimento : nei due grafici sotto viene visualizzata anche la legge esponenziale che meglio approssima i dati sperimentali.

Cumarina

La cumarina  è un composto aromatico. A temperatura ambiente si presenta in forma di cristalli incolori, dall’odore caratteristico. Isolata per la prima volta da Dipteryx odorata, il cui nome popolare era per l’appunto coumarin, la cumarina è presente in più di 27 famiglie di vegetali, ed è responsabile dell’odore dolce dell’erba appena tagliata.
È la capostipite di una classe di composti derivati – detti cumarine – che hanno in comune la struttura benzopiranica della cumarina.
La cumarina è usato anche come un mezzo di guadagno in alcuni laser a colorante e come sensibilizzante in tecnologie fotovoltaiche.
Assorbe a lunghezze d’onda inferiore a 400 nm e presenta forte fluorescenza a 460 nm.

Nella immagine a lato si vede la cuvetta con il composto ottenuto con la cumarina e l’acido borico. Nella immagine sotto si vede invece lo spettro della fluorescenza eccitata da sorgente UV.

Nei grafici sotto viene presentato l’andamento del decadimento della fosforescenza per la cumarina fusa in acido borico. Anche in questo caso, come per la fluoresceina vi è un buon accordo con un andamento esponenziale.

Cinetica della Fosforescenza

In entrambi i casi il decadimento della emissione da fosforescenza segue una legge esponenziale : siamo quindi nel caso di un sistema del primo ordine.

Nella cinetica dei sistemi del primo ordine, l’emissione della luce è proporzionale alla concentrazione degli elettroni eccitati. Il decadimento esponenziale della fosforescenza si verifica quando la concentrazione delle lacune nella banda di valenza è molto più grande della concentrazione degli elettroni eccitati nella banda di conduzione. Il decadimento del primo ordine è descritto dalla seguente equazione differenziale:

Emission = −dn/dt = kn

Dove n è la concentrazione dei portatori di carica eccitati ad un livello energetico superiore. Integrando rispetto al tempo si ottiene la solita legge del decadimento esponenziale :

n(t) = n(0)e^-t/τ 

Questa legge si applica ad esempio ai fenomeni radioattivi, al decadimento fluorescente e in alcuni casi ai processi di fosforescenza. Questo modello funziona bene fintanto che il tasso di decadimento è proporzionale alla popolazione.

Conclusioni

La preparazione di questi materiali fosforescenti si è rivelata molto semplice e ci ha permesso di ottenere un esempio di composti fosforescenti a decadimento esponenziale (sistemi del primo ordine) inoltre ci ha permesso di sperimentare, in via qualitativa, la forte dipendenza della persistenza della emissione dalla temperatura.

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