Cientistas apresentaram uma técnica que utiliza ‘antenas moleculares’ para direcionar energia elétrica em nanopartículas isolantes. Essa abordagem cria uma nova família de LEDs de infravermelho próximo ultra-puros que podem ser usados em diagnósticos médicos, sistemas de comunicação óptica e detectores sensíveis.
Pesquisadores do Laboratório Cavendish da Universidade de Cambridge descobriram como conduzir corrente elétrica em materiais que normalmente não conduzem, uma façanha anteriormente considerada impossível em condições normais. Ao anexar moléculas orgânicas cuidadosamente escolhidas que atuam como pequenas antenas, eles construíram os primeiros diodos emissores de luz (LEDs) a partir de nanopartículas isolantes. Seu trabalho, publicado na Nature, aponta para uma nova geração de dispositivos para imagem biomédica de tecido profundo e transmissão de dados em alta velocidade.
A equipe concentrou-se em nanopartículas dopadas com lantânio (LnNPs), uma classe bem conhecida de materiais valorizados por produzir luz extremamente pura e estável. Essas nanopartículas são especialmente eficazes na segunda região do infravermelho próximo, que consegue penetrar profundamente nos tecidos biológicos. No entanto, até agora, seu caráter isolante elétrico impedia que fossem integradas em componentes eletrônicos padrão, como LEDs.
“Essas nanopartículas são emissores de luz fantásticos, mas não conseguíamos alimentá-las com eletricidade. Essa era uma barreira importante que impedia seu uso na tecnologia do dia a dia,” disse o Professor Akshay Rao, que liderou a pesquisa no Laboratório Cavendish. “Nós essencialmente encontramos uma porta dos fundos para alimentá-las. As moléculas orgânicas atuam como antenas, capturando portadores de carga e, em seguida, ‘sussurrando’ para a nanopartícula por meio de um processo especial de transferência de energia do triplete, que é surpreendentemente eficiente.”
Design Híbrido Orgânico-Inorgânico Com Antenas Moleculares
Para superar o problema da isolação, os pesquisadores criaram uma estrutura híbrida orgânico-inorgânica. Eles anexaram um corante orgânico com um grupo funcional âncora, chamado ácido 9-antracenecarboxílico (9-ACA), à superfície das LnNPs. Nos novos LEDs, as cargas elétricas são injetadas nessas moléculas de 9-ACA, que atuam como uma antena molecular, em vez de serem injetadas diretamente nas nanopartículas.
Uma vez energizadas, as moléculas de 9-ACA entram em um estado de triplete excitado. Em muitos sistemas ópticos, esse estado de triplete é considerado “escuro”, o que significa que sua energia muitas vezes é perdida em vez de convertida em luz útil. No entanto, neste design, a energia do estado de triplete é transferida com mais de 98% de eficiência para os íons de lantânio dentro das nanopartículas isolantes, fazendo com que emitam luz com brilho notável.
Luz Infravermelha Próxima Ultra-Pura com Baixa Tensão
Usando esse método, os “LnLEDs” da equipe podem ser ativados com uma tensão de operação relativamente baixa de cerca de 5 volts. Ao mesmo tempo, eles geram eletroluminescência com uma largura espectral extremamente estreita. Isso torna a emissão muito mais pura do que a de muitas tecnologias concorrentes, incluindo pontos quânticos (QDs).
“A pureza da luz na janela do infravermelho próximo emitida pelos nossos LnLEDs é uma grande vantagem,” disse o Dr. Zhongzheng Yu, autor principal do estudo e associado de pesquisa de pós-doutorado no Laboratório Cavendish. “Para aplicações como sensores biomédicos ou comunicações ópticas, você deseja uma faixa de comprimento de onda muito aguda e específica. Nossos dispositivos alcançam isso sem esforço, algo que é muito difícil de fazer com outros materiais.”
Potencial para Imagem Biomédica, Comunicações Ópticas e Sensores
Como essas nanopartículas eletricamente acionadas podem emitir luz limpa e bem definida, elas poderiam formar a base de tecnologias médicas avançadas. Pequenos LnLEDs, potencialmente injetáveis ou integrados a dispositivos vestíveis, poderiam ser usados para imagem de tecido profundo para detectar câncer, monitorar a função de órgãos em tempo real ou ativar drogas com precisão alta.
Além disso, sua saída espectral estreita as torna atraentes para comunicações ópticas, onde comprimentos de onda puros e estáveis podem ajudar a transmitir mais dados com menos interferência. Além disso, essa plataforma poderia suportar sensores altamente sensíveis que detectam químicos ou marcadores biológicos muito específicos, melhorando ferramentas de diagnóstico e monitoramento ambiental.
Desempenho de Primeira Geração e Direções Futuras
Em testes iniciais, os pesquisadores alcançaram uma eficiência quântica externa máxima acima de 0,6% para seus LEDs NIR-II. Para um dispositivo de primeira geração construído a partir de nanopartículas isolantes alimentadas eletricamente, esse desempenho é considerado muito promissor. A equipe também identificou rotas claras para aumentar ainda mais a eficiência em futuros designs.
“Isso é apenas o começo. Nós desbloqueamos uma nova classe de materiais para optoeletrônica,” acrescentou o Dr. Yunzhou Deng, associado de pesquisa de pós-doutorado no Laboratório Cavendish. “O princípio fundamental é tão versátil que podemos agora explorar inúmeras combinações de moléculas orgânicas e nanomateriais isolantes. Isso nos permitirá criar dispositivos com propriedades personalizadas para aplicações que ainda não pensamos.”
Este trabalho foi parcialmente financiado por uma concessão de pesquisa de fronteira do UK Research and Innovation (UKRI) (EP/Y015584/1) e bolsas individuais de pós-doutorado (esquema de bolsas Marie Skłodowska-Curie).
