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XIV
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 International Conference on Molecular Spectroscopy, Białka Tatrzańska 2017
 
 
153
T1: P–20 
Synthesis and photochemistry studies of the intelligent luminescent 
molecular sensors for monitoring of polymerization processes 
 
Joanna Ortyl
1
, Monika Topa
1
, Maciej Pilch
1
, Anna Chachaj-Brekiesz
2
, 
Mariusz Galek
3
, Filip Petko
3
, and Roman Popielarz
1
 
 
1 
Faculty of Chemical Engineering and Technology, Cracow University of Technology, Warszawska 
24, 30-155 Cracow, Poland, e-mail: [e-mail]  
2 
Faculty of Chemistry, Jagiellonian University, R. Ingardena 3, 30-060 Cracow, Poland  
3 
Photo HiTech Ltd., Life Science Park, M. Bobrzyńskiego 14, 30-348 Cracow, Poland 
  
 
Fluorescence  spectroscopy  is  an  important  analytical  technique  that  has  been  widely  used  in  a 
variety of applications, such as biomedicine, biology, and science, which makes it unique thanks to 
extraordinary  sensitivity  and  selectivity,  short  delay  time  (<10
–9
  s),  and  the  fact  that  it  is  neither 
invasive  nor  destructive,  so  it  can  be  used  for  the  in-situ  measurements.  When  the  fluorescence 
emission of these molecules is sensitive to changes of properties, such as polarity, viscosity, pH, or 
electric potential, they can be used for detecting such changes in their microenvironment, and they are 
called luminescent or fluorescent probes.  As long as these probes can follow processes of practical 
interest,  they  can  be  employed  as sensors,  if  the  information  given  by  the  measure  of  fluorescence 
adequately reflects the changes in the system. 
Extremely  interesting  and  important  application  of  luminescent  sensors  is  the  research  of  testing 
polymeric  materials  by  fluorescence  spectroscopy.  Currently,  strict  control  of  the  quality  of  raw 
materials and the final cured polymeric products is required for high production standards. Therefore, 
there  is a high demand for a quick and  reliable  method  of polymerization progress monitoring  that 
would be applicable directly in production lines. Fluorescence Probe Technology is the answer to this 
type of need, because it is based on the use of fluorescent probes as molecular sensors and quanta of 
light  for  information  transfer  between  the  probe  molecules  and  the  monitoring  system.  The 
fluorescent  probes  react  on  changes  occurring  in  their  vicinity  within  nanoseconds.    Hence,  the 
fluorescent sensors meet the requirements of measurement speed.   
 
In  the  FPT  method,  changes  of  luminescence  characteristics  of  appropriate  molecular  sensors, 
caused  by  changes  of  polarity  or  microviscosity  of  the  medium  the  probe  is  dissolved  in,  are 
monitored  in  real  time.    The  changes  in  the  probe  response  usually  correlate  very  well  with  the 
changes  of  other  parameters  occurring  in  the  system.  For  example,  during  polymerization  of 
monomers,  the  probe  molecules  interact  with  the  monomer  and  polymer  molecules,  present  in  the 
probe vicinity, by various Van der Waals and dipolar interactions that cause stabilization of excited 
states of the probe molecules by solvation.  With the polymerization progress, the degree of solvation 
of  the  excited  probe  molecules  changes,  that  causes  change  of  their  energy  at  the  moment  of  light 
emission, and consequently, change of fluorescence characteristics. Hence, the quanta of light emitted 
by the probe molecules carry information about the changes that have occurred in the reacting system.  
In  the  case  of  most  of  monomers,  when  a  fluorescent  probe  is  dissolved  in  a  monomer,  and  the 
monomer  is  polymerized,  the  system  polarity  decreases,  because  monomers are  usually  more  polar 
than  the  corresponding  polymers.    Consequently,  the  fluorescence  spectrum  of  the  probe  shifts 
towards shorter wavelengths, while the shift magnitude is proportional to the extent of the change that 
have  occurred  in  the  system.  This change  can  be  traced  with  an  appropriate  rapid-scan  fluorimeter 
that allows monitoring of the polymerization progress in real time. The main objective of this research 
is  synthesis,  characterization  and  investigations  of  compounds  that  exhibit  luminescence  strongly 
dependent on changes in their environment during polymerization processes.  
 
Keywords: luminescence; molecular probe; fluorescence; polymerization; photopolymerization  
 
Acknowledgment 
This  work  was  supported  by  the  Foundation  for  Polish  Science  (Warsaw,  Poland)  within  the  project 
POWROTY (Contract No. POWROTY/2016-1/4).
 
 

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 International Conference on Molecular Spectroscopy, Białka Tatrzańska 2017
 
154
T1: P–21 
Vibrational spectroscopy of the aluminum oxynitride materials with 
different stoichiometry 
 
Alan Wilmański
1
, Jolanta Nieroda
1
, Andrzej Koleżyński
1
, 
Maciej Sitarz
1
, and Mirosław M. Bućko
1
 
 
1 
AGH University of Science and Technology, Faculty of Materials Science and Ceramics,  
30 Mickiewicza Av., 30-059 Krakow, Poland, e-mail: [e-mail] 
 
 
Aluminum oxynitride, γ-alon, is a spinel-type structure solid solution of Al
2
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3
 and AlN. Due 
to  its  good  mechanical  properties  and  high  chemical  resistance  γ-alon  has  a  great  potential 
application in high-performance structural ceramics as well as refractory material. It was stated 
that the “ideal” γ-alon, which had the stoichiometry Al
3
O
3
N, did not exist. The general model of 
the  γ-alon  structure  is  based  on  the  cubic  spinel-type  one,  with  space  group  Fd3m.  In  such 
structure the O and N atoms are randomly distributed at the 32e sites, and the Al atoms occupy 
the 8a and 16d sites. A few more detailed models of the γ-alon structure were described. In the 
Constant Anion Model the 32e sites are fully occupied, although the positions of the anions are 
not  ideal  and  correspond  to  a  deformed  face-centered  cubic  structure,  whereas  the  aluminum 
vacancies are distributed over the octahedral sites. In the Constant Cation Model the octahedral 
and tetrahedral cation sites are always fully occupied and the predominant defects are oxygen or 
nitrogen interstitials.  
 
The main purpose of the work was to study the structure (XRD,  Raman) of  materials  with 
different Al
2
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3
:AlN ratio and subsequent verification of the models mentioned above. 
 
Aluminum  and  corundum  powder  mixture  was  subjected  to  self-propagated  high-
temperature  synthesis  (SHS)  in  nitrogen  atmosphere.  The  content  of  aluminum  in  the  mixture 
was  20  mass%.  The  SHS-derived  powder,  composed  of  76  mass%  of  γ-alon,  19  mass%  of 
corundum and 5 mass% of aluminum nitride, were ground with addition of different amount of 
corundum to obtain a series of powders with formal AlN:Al
2
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3
 molar ratio from 27:73 to 39:61. 
The  powders  were  isostatically  compacted  and  then  pressureless  sintered  at  1850ºC  for  2h  in 
nitrogen atmosphere.  
 
X-ray diffraction analysis showed that all samples were composed of γ-alon only and linear 
relationship between formal AlN:Al
2
O
3
 molar ratio and the γ-alon unit cell constant confirmed 
monotonic  changes  in  stoichiometry  of  the  aluminum  oxynitride  phase.  Analysis  of  Raman 
experimental spectra,  supported by  theoretical calculations  confirmed the conclusions  of  XRD 
studies. 
 
Acknowledgment 
This  work  was  financially  supported  by  the  AGH  University  of  Science  and  Technology  as  a  part  of 
statutory activities of the Department of Ceramics and Refractory Materials (project no. 11.11.160.617).  
 
 
 
 
 
 
 
 

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