Una película circular de materiales orgánicos que brillan en la oscuridad se muestra con una luz ambiental débil (arriba) y en la oscuridad después de la exposición a la luz ultravioleta (abajo). Se utilizó luz ultravioleta para acumular energía rápidamente y producir un brillo fuerte, pero el efecto de brillo en la oscuridad también se puede lograr mediante la exposición con una luz LED blanca común. La película emplea una mezcla de moléculas donantes y aceptoras para lograr este efecto por primera vez con materiales orgánicos. El proceso comienza cuando un aceptor absorbe la energía de la luz incidente, que conduce a la transferencia de una carga positiva, o agujero, del aceptor de electrones a un donante de electrones (1). La carga negativa adicional, o electrón, en el aceptador luego se separa del orificio saltando entre otros aceptores (2). La energía ahora se almacena a través de un electrón y un agujero separados espacialmente (3). El electrón finalmente se mueve hacia el agujero (4), y se emite luz cuando los dos se juntan (5). Algunas cargas se recombinan rápidamente, pero muchos pueden permanecer almacenados en el estado de carga separada durante mucho tiempo (3), lo que conduce a la emisión brillante mucho después de que se apaga la luz de excitación. Crédito:Ryota Kabe y William J. Potscavage Jr.
Las pinturas que brillan en la oscuridad que han mejorado la flexibilidad y la transparencia al mismo tiempo que son más baratas y fáciles de fabricar están en el horizonte gracias a una nueva investigación de la Universidad de Kyushu. En una demostración innovadora, Se logró una emisión de luz que duró más de una hora a partir de materiales orgánicos, que también son prometedoras para desbloquear nuevas aplicaciones como la bioimagen.
Basado en un proceso llamado luminiscencia persistente, Los materiales que brillan en la oscuridad funcionan liberando lentamente la energía absorbida de la luz ambiental. Utilizado en relojes y señales de emergencia, Los materiales comerciales que brillan en la oscuridad se basan en compuestos inorgánicos e incluyen metales raros como el europio y el disprosio. Sin embargo, estos materiales son caros, requieren altas temperaturas para fabricar, y dispersan la luz, en lugar de ser transparente, cuando se muelen en polvos para pinturas.
Los materiales orgánicos a base de carbono, similares a los que se utilizan en plásticos y pigmentos, pueden superar muchas de estas desventajas. Pueden ser excelentes emisores y ya se utilizan ampliamente en diodos emisores de luz orgánicos (OLED). Pero lograr emisiones de larga duración ha sido difícil, y la emisión más prolongada de compuestos orgánicos bajo iluminación interior a temperatura ambiente fue, hasta ahora, sólo unos pocos minutos.
Los investigadores del Centro de Investigación en Electrónica y Fotónica Orgánica (OPERA) de la Universidad de Kyushu han superado este límite utilizando mezclas simples de dos moléculas apropiadas. En películas formadas por la fusión de moléculas que donan electrones y otras que los aceptan, Se demostró por primera vez una emisión de más de una hora a partir de materiales orgánicos sin necesidad de fuentes de luz intensa o bajas temperaturas.
"Muchos materiales orgánicos pueden utilizar la energía absorbida de la luz para emitir luz de un color diferente, pero esta emisión es generalmente rápida porque la energía se almacena directamente en la molécula que produce la emisión, "dice Ryota Kabe, autor principal del artículo que informa sobre estos nuevos hallazgos.
"Por el contrario, nuestras mezclas almacenan la energía en cargas eléctricas separadas a una distancia mayor. Este paso adicional nos permite ralentizar enormemente la liberación de energía en forma de luz, logrando así el efecto de brillo en la oscuridad ".
En las mezclas, absorción de luz por una molécula aceptora de electrones, o aceptor, le da a la molécula energía adicional que puede usar para eliminar un electrón de una molécula donante de electrones, o donante. Esta transferencia de un electrón es efectivamente lo mismo que una carga positiva que se transfiere del aceptor al donante.
El electrón extra en el aceptor puede saltar a otros aceptores y alejarse del donante cargado positivamente, resultando en la separación de los cargos. Las cargas separadas se vuelven a unir gradualmente, algunas lentamente y otras más rápidamente, y liberan su energía en forma de luz durante un lapso de casi una hora.
Las mezclas y los procesos son similares a los que se encuentran en las células solares orgánicas y los OLED. Después de acumular cargas separadas como en una celda solar, los cargos no tienen donde escapar, por lo que eventualmente vuelven a juntarse para emitir luz como un OLED. La diferencia clave en las mezclas desarrolladas recientemente es que las cargas pueden existir en un estado separado durante períodos de tiempo muy largos.
"Con orgánicos, tenemos una gran oportunidad para reducir el costo de los materiales que brillan en la oscuridad, por lo que el primer lugar en el que esperamos ver un impacto son las aplicaciones de gran área, como pasillos o carreteras resplandecientes para mayor seguridad, "dice Chihaya Adachi, Director de OPERA.
Chihaya Adachi (izquierda) y Ryota Kabe (derecha) del Centro de Investigación en Electrónica y Fotónica Orgánica (OPERA) de la Universidad de Kyushu han desarrollado los primeros materiales que brillan en la oscuridad del mundo basados en moléculas orgánicas. La luz de los materiales se produce cuando un electrón se transfiere de una molécula aceptora a una molécula donante, que está representado por el diagrama formado por sus manos. Crédito:Centro de Investigación en Electrónica y Fotónica Orgánica
"Después, podemos empezar a pensar en aprovechar la versatilidad de los materiales orgánicos para desarrollar telas y ventanas que brillan en la oscuridad, o incluso sondas biocompatibles para imágenes médicas ".
El primer desafío a abordar en el camino hacia el uso práctico es la sensibilidad del proceso al oxígeno y al agua. Las barreras protectoras ya se utilizan en electrónica orgánica y materiales inorgánicos que brillan en la oscuridad, por lo que los investigadores confían en que se puede encontrar una solución. Al mismo tiempo, también están buscando nuevas estructuras moleculares para aumentar la duración y la eficiencia de la emisión, así como para cambiar el color.
Con los esfuerzos para resolver estos problemas restantes en curso, una nueva ola de materiales que brillan en la oscuridad basados en compuestos orgánicos parece preparada para vigorizar el área y expandir sus aplicaciones.
