La investigación renovada de una molécula que se sintetizó originalmente con el objetivo de crear un pigmento absorbente de luz único ha llevado al establecimiento de una estrategia de diseño novedosa para moléculas emisoras de luz eficientes con aplicaciones en pantallas e iluminación de próxima generación.

Investigadores del Centro de Investigación en Electrónica y Fotónica Orgánica (OPERA) de la Universidad de Kyushu demostraron que una molécula que cambia levemente su estructura química antes y después de la emisión puede lograr una alta eficiencia en diodos emisores de luz orgánicos (OLED).

Además de producir colores vibrantes, Los OLED se pueden fabricar en todo, desde pequeños píxeles hasta paneles grandes y flexibles, haciéndolos extremadamente atractivos para exhibiciones e iluminación.

En un OLED, Las cargas eléctricas inyectadas en películas delgadas de moléculas orgánicas se unen para formar paquetes de energía, llamados excitones, que pueden producir emisión de luz.

El objetivo es convertir todos los excitones en luz, pero las tres cuartas partes de los excitones creados son trillizos, que no producen luz en materiales convencionales, mientras que la cuarta parte restante son singlets, que emiten a través de un proceso llamado fluorescencia.

Inclusión de un metal raro, como iridio o platino, en una molécula puede permitir una rápida emisión de los tripletes a través de la fosforescencia, que es actualmente la tecnología dominante para OLED de alta eficiencia.

Un mecanismo alternativo es el uso de calor en el ambiente para dar a los trillizos un impulso energético suficiente para convertirlos en singletes emisores de luz.

Este proceso, conocido como fluorescencia retardada activada térmicamente (TADF), Ocurre fácilmente a temperatura ambiente en moléculas diseñadas apropiadamente y tiene la ventaja adicional de evitar el costo y la reducida libertad de diseño molecular asociados con los metales raros.

Sin embargo, la mayoría de las moléculas de TADF todavía se basan en el mismo enfoque de diseño básico.

"Cada mes se informa sobre muchas moléculas nuevas de TADF, pero seguimos viendo el mismo diseño subyacente con grupos donantes de electrones conectados a grupos que aceptan electrones, "dice Masashi Mamada, investigador principal del estudio que informa los nuevos resultados.

"Encontrar diseños moleculares fundamentalmente diferentes que también exhiban un TADF eficiente es clave para desbloquear nuevas propiedades, y en este caso, encontramos uno mirando el pasado con una nueva perspectiva ".

En la actualidad, Las combinaciones de unidades de donación y aceptación se utilizan principalmente porque proporcionan una forma relativamente sencilla de empujar los electrones en una molécula y obtener las condiciones necesarias para el TADF.

Aunque el método es eficaz y es posible una gran variedad de combinaciones, Todavía se desean nuevas estrategias en la búsqueda de emisores perfectos o únicos.

El mecanismo explorado por los investigadores esta vez implica la transferencia reversible de un átomo de hidrógeno, técnicamente, solo su núcleo positivo, de un átomo en la molécula emisora ​​a otro en la misma molécula para crear una disposición conducente al TADF.

Esta transferencia ocurre espontáneamente cuando la molécula se excita con energía óptica o eléctrica y se conoce como transferencia de protones intramolecular en estado excitado (ESIPT).

Este proceso ESIPT es tan importante en las moléculas investigadas que los cálculos químicos cuánticos de los investigadores indican que el TADF no es posible antes de la transferencia del hidrógeno.

Después de la excitación, el hidrógeno se transfiere rápidamente a un átomo diferente en la molécula, conduciendo a una estructura molecular capaz de TADF.

El hidrógeno se transfiere de nuevo a su átomo inicial después de que la molécula emite luz, y la molécula está lista para repetir el proceso.

Aunque previamente se ha informado de TADF de una molécula de ESIPT, esta es la primera demostración de un TADF altamente eficiente observado dentro y fuera de un dispositivo.

Esta estrategia de diseño muy diferente abre la puerta para lograr TADF con una variedad de nuevas estructuras químicas que no se habrían considerado en base a estrategias anteriores.

Curiosamente, la molécula que utilizaron los investigadores fue probablemente una decepción cuando la sintetizaron por primera vez hace casi 20 años los químicos que esperaban crear un nuevo pigmento solo para descubrir que la molécula es incolora.

"Las moléculas orgánicas nunca dejan de sorprenderme, "dice la profesora Chihaya Adachi, Director de OPERA. "Existen muchos caminos con diferentes ventajas y desventajas para lograr el mismo objetivo, y todavía sólo hemos arañado la superficie de lo que es posible ".

Las ventajas de esta estrategia de diseño apenas comienzan a explorarse, pero un área particularmente prometedora está relacionada con la estabilidad.

Se sabe que moléculas similares a la investigada son altamente resistentes a la degradación, por lo que los investigadores esperan que este tipo de moléculas ayuden a mejorar la vida útil de los OLED.

Para ver si este es el caso, Las pruebas están ahora en marcha.

Si bien solo el tiempo dirá hasta dónde llegará esta estrategia en particular, Las opciones en continuo crecimiento para los emisores de OLED ciertamente son un buen augurio para su futuro.