Vědci odhalili techniku, která využívá „molekulární antény“ k přenosu elektrické energie do izolačních nanočástic. Tento přístup vytváří novou rodinu ultračistých LED diod v blízké infračervené oblasti, které by mohly být využity v lékařské diagnostice, optických komunikačních systémech a citlivých detektorech.
Výzkumníci z Cavendishovy laboratoře na Cambridgeské univerzitě objevili, jak vést elektrický proud do materiálů, které normálně nevedou elektřinu – výkon, který byl dříve považován za nemožný za běžných podmínek. Připojením pečlivě vybraných organických molekul, které fungují jako miniaturní antény, vytvořili první světlo emitující diody (LED) z izolačních nanočástic. Jejich práce, publikovaná v časopise Nature, ukazuje směrem k nové generaci zařízení pro hloubkové biomedicínské zobrazování a vysokorychlostní přenos dat.
Lanthanidové nanočástice s organickými anténami
Tým se zaměřil na lanthanidy dopované nanočástice (LnNPs), dobře známou třídu materiálů ceněných za produkci světla, které je extrémně čisté a stabilní. Tyto nanočástice jsou obzvláště účinné ve druhé blízké infračervené oblasti, která je schopna pronikat hluboko do biologické tkáně. Dosud však jejich elektricky izolační charakter znamenal, že nemohly být integrovány do standardních elektronických komponent, jako jsou LED diody.
„Tyto nanočástice jsou fantastické světelné zdroje, ale nemohli jsme je napájet elektřinou. Byla to hlavní překážka bránící jejich použití v každodenní technologii,“ řekl profesor Akshay Rao, který vedl výzkum v Cavendishově laboratoři. „V podstatě jsme našli zadní vrátka, jak je napájet. Organické molekuly fungují jako antény, zachycují nosiče náboje a pak je ‚našeptávají‘ nanočástici prostřednictvím speciálního procesu přenosu tripletové energie, který je překvapivě účinný.“
Hybridní design s molekulárními anténami
Aby výzkumníci překonali problém izolace, vytvořili hybridní organicko-anorganickou strukturu. K povrchu LnNPs připojili organické barvivo s funkční skupinou kotvy, nazývané kyselina 9-anthracenkarboxylová (9-ACA). V nových LED diodách jsou elektrické náboje vstřikovány do těchto molekul 9-ACA, které fungují jako molekulární anténa, spíše než přímo do nanočástic.
Jakmile jsou molekuly 9-ACA energizovány, vstupují do excitovaného tripletového stavu. V mnoha optických systémech je tento tripletový stav považován za „temný“, což znamená, že jeho energie je často ztracena místo přeměny na užitečné světlo. V tomto designu je však energie z tripletového stavu přenášena s více než 98% účinností na lanthanidové ionty uvnitř izolačních nanočástic, což způsobuje, že vyzařují světlo s pozoruhodným jasem.
Ultračisté blízké infračervené světlo při nízkém napětí
Pomocí této metody mohou být „LnLED“ týmu zapnuty s relativně nízkým provozním napětím asi 5 voltů. Zároveň generují elektroluminiscenci s extrémně úzkou spektrální šířkou. To činí emisi mnohem čistší než u mnoha konkurenčních technologií, včetně kvantových teček (QD).
„Čistota světla ve druhém blízkém infračerveném okně vyzařovaného našimi LnLED je obrovskou výhodou,“ řekl Dr. Zhongzheng Yu, hlavní autor studie a postdoktorský výzkumný pracovník v Cavendishově laboratoři. „Pro aplikace jako biomedicínské snímání nebo optické komunikace chcete velmi ostrou, specifickou vlnovou délku. Naše zařízení toho dosahují bez námahy, což je velmi obtížné udělat s jinými materiály.“
Potenciál pro biomedicínské zobrazování, optické komunikace a snímání
Protože tyto elektricky napájené nanočástice mohou vyzařovat tak čisté, dobře definované světlo, mohly by tvořit základ pokročilých lékařských technologií. Miniaturní LnLED, potenciálně injekční nebo zabudované do nositelných zařízení, by mohly být použity pro hloubkové zobrazování tkání k nalezení rakovin, sledování funkce orgánů v reálném čase nebo spouštění světlem aktivovaných léků s vysokou přesností.
Jejich úzký spektrální výstup je také činí atraktivními pro optické komunikace, kde čisté, stabilní vlnové délky mohou pomoci posílat více dat s menším rušením. Kromě toho by tato platforma mohla podporovat vysoce citlivé senzory, které detekují velmi specifické chemikálie nebo biologické markery, čímž by se zlepšily diagnostické nástroje a monitorování životního prostředí.
Výkon první generace a budoucí směry
V raných testech výzkumníci dosáhli špičkové externí kvantové účinnosti nad 0,6 % pro své NIR-II LED. Pro zařízení první generace postavené z elektricky napájených izolačních nanočástic je tento výkon považován za velmi slibný. Tým také identifikoval jasné cesty k dalšímu zvýšení účinnosti v budoucích designech.
„Toto je teprve začátek. Odemkli jsme zcela novou třídu materiálů pro optoelektroniku,“ dodal Dr. Yunzhou Deng, postdoktorský výzkumný pracovník v Cavendishově laboratoři. „Základní princip je tak univerzální, že nyní můžeme zkoumat nespočet kombinací organických molekul a izolačních nanomateriálů. To nám umožní vytvářet zařízení s přizpůsobenými vlastnostmi pro aplikace, o kterých jsme ještě ani nepřemýšleli.“
Tato práce byla částečně podpořena grantem UK Research and Innovation (UKRI) Frontier Research Grant (EP/Y015584/1) a postdoktorskými individuálními stipendii (program stipendií Marie Skłodowské-Curie).
Zdroj: sciencedaily.com
