En una hazaña molecular similar a hacer que los peatones en un cruce de peatones comiencen a caminar espontáneamente al mismo ritmo, los investigadores de la Universidad de Kyushu han creado una serie de moléculas que tienden a mirar en la misma dirección para formar un "potencial de superficie gigante" cuando se evaporan en una superficie.

Los investigadores esperan utilizar el enfoque para generar campos eléctricos controlados que ayuden a mejorar la eficiencia de los diodos emisores de luz orgánicos utilizados en pantallas e iluminación y abrir nuevas rutas para realizar dispositivos que conviertan las vibraciones en electricidad con materiales orgánicos.

Basada en la fantástica versatilidad química del carbono que hace posibles los organismos vivos, la electrónica orgánica ya está impulsando una ola de pantallas de televisión y teléfonos inteligentes vibrantes, e incluso flexibles, con aplicaciones en células solares, láseres y circuitos en el horizonte.

Esta flexibilidad se debe en parte a la naturaleza desordenada de las películas delgadas de los materiales utilizados en los dispositivos. A diferencia de la electrónica inorgánica común basada en átomos de silicio estrechamente conectados en cristales rígidos y bien organizados, los compuestos orgánicos suelen formar capas "amorfas" que no están tan bien organizadas.

A pesar de la organización aparentemente aleatoria de las moléculas, los investigadores descubrieron que, de hecho, algunas tienden a alinearse en direcciones similares, lo que afecta profundamente las propiedades de un dispositivo y crea nuevas posibilidades para controlar el rendimiento del dispositivo.

"Ya se ha realizado un trabajo significativo en moléculas que se alinean de manera que la luz que emiten pueda escapar más fácilmente de un dispositivo", dice Masaki Tanaka, profesor asistente en la Universidad de Agricultura y Tecnología de Tokio (TUAT) que comenzó el presente trabajo mientras en el Centro de Investigación de Electrónica y Fotónica Orgánica de la Universidad de Kyushu (OPERA) y continuó con el estudio adicional de la alineación molecular en películas amorfas después de su transferencia a TUAT.

"Sin embargo, se sabía que otras moléculas se alineaban de una manera que colocaba más de sus electrones en un lado de la capa, lo que generaba el llamado potencial de superficie acompañado de un campo eléctrico. Este campo puede ayudar a que las cargas entren o salgan de una dispositivo para hacerlo más eficiente o desbloquear nuevas propiedades eléctricas, pero encontrar formas de controlar la formación del campo ha sido un desafío".

Las películas utilizadas en la electrónica orgánica suelen tener solo decenas de nanómetros de espesor, una fracción del espesor de un cabello humano, y a menudo se acumulan gradualmente calentando primero un polvo orgánico en el vacío para que cambie directamente de un sólido a un gas, un proceso conocido como sublimación. Cuando las moléculas del polvo sublimado alcanzan una superficie fría, se adhieren para formar una capa.

"En la fase gaseosa, las moléculas giran aleatoriamente y chocan entre sí, por lo que es probable que se depositen en una dirección aleatoria en una película", explica Morgan Auffray, quien sintetizó las moléculas. "Sin embargo, descubrimos que ciertas unidades moleculares con átomos de flúor básicamente se alejarán de la superficie de deposición. Al incluir estas unidades en una molécula, podemos hacer que las moléculas depositadas se alineen aproximadamente, con las unidades fluoradas mirando hacia afuera".

Luego, los investigadores unieron partes que empujan y atraen electrones cargados negativamente hacia o desde la unidad fluorada. Este desequilibrio de cargas entre las moléculas alineadas en una superficie conduce al llamado potencial de superficie y al campo eléctrico resultante.

"Dado que las moléculas depositadas y sus campos eléctricos asociados apuntan en una dirección similar, los pequeños campos individuales se suman para producir un campo general mucho más grande", dice Tanaka. "No solo podemos obtener un campo relativamente más grande, sino que podemos hacer que apunte hacia la superficie, lo que rara vez se ha informado hasta ahora".

Estas capas producen un potencial de superficie gigante de casi 10 V, lo que es particularmente impresionante si se considera que fue producido espontáneamente por una película de solo 100 nm de espesor.

Un voltaje tan grande sobre un espesor tan pequeño produce un campo eléctrico alto que puede ayudar a obtener cargas positivas y negativas en las distintas capas de dispositivos como los OLED, mejorando así la eficiencia general de conversión de energía.

Además, estas estructuras eléctricas incorporadas y controladas podrían ayudar en la realización de nuevos dispositivos. Los investigadores ya demostraron que las capas podrían usarse en un nuevo tipo de dispositivo que convierte las vibraciones en electricidad, pero aún queda trabajo por hacer para que dichos dispositivos sean prácticos.

"La ciencia sigue mostrándonos nuevas formas de controlar los procesos eléctricos en una escala cada vez más pequeña mediante la disposición de átomos en moléculas orgánicas", dice Chihaya Adachi, directora de OPERA. "Esta investigación se suma a nuestra bolsa de herramientas, que hará posibles nuevos dispositivos a medida que continúa creciendo".

La investigación fue publicada en Nature Materials . + Explora más

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