Los científicos han descubierto un grupo de materiales que podrían allanar el camino para una nueva generación de iluminación de alta eficiencia. resolviendo un dilema que ha inhibido el rendimiento de la tecnología de visualización durante décadas. El desarrollo de conceptos de ahorro de energía en aplicaciones de visualización e iluminación es un foco importante de investigación, ya que una quinta parte de la electricidad del mundo se utiliza para generar luz.

Escribiendo en Ciencias esta semana, el equipo, de la Universidad de Cambridge, la Universidad de East Anglia y la Universidad de Finlandia Oriental, describe cómo desarrolló un nuevo tipo de material que utiliza moléculas giratorias para emitir luz más rápido que nunca. Podría conducir a televisores, pantallas de teléfonos inteligentes y luces de la habitación que son más eficientes en el consumo de energía, más brillantes y duraderos que los que se encuentran actualmente en el mercado.

Autor correspondiente, Dr. Dan Credgington, del Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, dice:"Es sorprendente que la primera demostración de este nuevo tipo de material ya supere el rendimiento de tecnologías que han tardado décadas en desarrollarse. Si el efecto que hemos descubierto se puede aprovechar en todo el espectro, podría cambiar la forma en que generamos luz ".

Los materiales moleculares son la fuerza impulsora detrás de los diodos emisores de luz orgánicos modernos (OLED). Inventado en la década de 1980, estos dispositivos emiten luz cuando se aplica electricidad a las moléculas orgánicas (basadas en carbono) que contienen. La iluminación OLED ahora se usa ampliamente en televisores, computadoras y teléfonos móviles. Sin embargo, tiene que superar un problema fundamental que tiene una eficiencia limitada a la hora de convertir la energía eléctrica en luz.

Pasar una corriente eléctrica a través de estas moléculas las pone en un estado excitado, pero solo el 25% de estos son estados "brillantes" que pueden emitir luz rápidamente. El 75% restante son estados 'oscuros' que generalmente desperdician su energía como calor que limita la eficiencia del dispositivo OLED. Este modo de funcionamiento produce más calor que luz, como en una bombilla de filamento antigua. La razón subyacente es una propiedad cuántica llamada 'giro' y los estados oscuros tienen el tipo incorrecto.

Un enfoque para abordar este problema es utilizar elementos raros, como el iridio, que ayudan a los estados oscuros a emitir luz al permitirles cambiar su giro. El problema es que este proceso lleva demasiado tiempo, por lo que la energía atada a los estados oscuros puede acumularse a niveles dañinos y hacer que el OLED sea inestable. Este efecto es un problema para los materiales emisores de azul (la luz azul tiene la energía más alta de todos los colores) que, en la práctica, el enfoque no se puede utilizar.

Los químicos de la Universidad de East Anglia han desarrollado un nuevo tipo de material en el que dos moléculas orgánicas diferentes se unen mediante un átomo de cobre u oro. La estructura resultante se parece un poco a una hélice. Los compuestos, que se puede hacer mediante un procedimiento simple de un solo recipiente a partir de materiales fácilmente disponibles, resultaron sorprendentemente luminiscentes. Al girar su "hélice", los estados oscuros formados en estos materiales se tuercen, lo que les permite cambiar su giro rápidamente. El proceso aumenta significativamente la velocidad a la que la energía eléctrica se convierte en luz, logrando una eficiencia de casi el 100% y evitando la acumulación dañina de estados oscuros.

Dr. Dawei Di y Dr. Le Yang, de Cambridge, fueron coautores principales, junto con el Dr. Alexander Romanov, de la UEA. Él dice:

"Nuestro descubrimiento de que los compuestos simples de cobre y oro se pueden utilizar como materiales brillantes y eficientes para los OLED demuestra cómo la química puede aportar beneficios tangibles a la sociedad. Todos los intentos anteriores de construir OLED basados ​​en estos metales sólo han tenido un éxito mediocre. El problema es que esos materiales requerían que las moléculas orgánicas sofisticadas se unieran con cobre, pero no cumplían con los estándares industriales. Nuestros resultados abordan un desafío de investigación y desarrollo en curso que puede llevar productos OLED de alta tecnología asequibles a todos los hogares ".

El modelado computacional jugó un papel importante en el descubrimiento de esta nueva forma de aprovechar los movimientos de torsión intramoleculares para la conversión de energía.

Profesor Mikko Linnolahti, de la Universidad de Finlandia Oriental, donde se hizo esto, comentarios:

"Este trabajo constituye el caso de estudio de cómo podemos explicar los principios detrás del funcionamiento de estos nuevos materiales y su aplicación en OLEDS".

El siguiente paso es diseñar nuevas moléculas que aprovechen al máximo este mecanismo, con el objetivo final de eliminar por completo la necesidad de elementos raros. Esto resolvería el problema más antiguo en el campo:cómo fabricar OLED sin tener que sacrificar la eficiencia y la estabilidad.

Coautor principal, Dr. Dawei Di, del Laboratorio Cavendish, dice:

"Nuestro trabajo muestra que el espín en estado excitado y el movimiento molecular pueden trabajar juntos para impactar fuertemente el rendimiento de los OLED. Esta es una excelente demostración de cómo la mecánica cuántica, una rama importante de la ciencia fundamental, puede tener consecuencias directas para una aplicación comercial que tiene un mercado global masivo ".