Os cientistas desenvolveram uma nova forma surpreendente de alimentar materiais que normalmente não podem conduzir eletricidade, abrindo as portas para uma nova geração de LEDs ultrapuros de infravermelho próximo para uso em imagens médicas, tecnologia de comunicações e sensores avançados.
A descoberta depende de minúsculas “antenas moleculares” que fornecem energia elétrica em nanopartículas isolantes. Ao usar este método, pesquisadores do Laboratório Cavendish da Universidade de Cambridge criaram os primeiros LEDs feitos a partir desses materiais anteriormente “não alimentados”.
Suas descobertas foram publicadas em natureza.
Nanopartículas isolantes de potência de antena molecular
A pesquisa se concentra em nanopartículas dopadas com terras raras (LnNPs), um material conhecido por produzir luz excepcionalmente estável e de alta pureza. Eles são particularmente valiosos porque emitem luz na segunda região do infravermelho próximo, que pode penetrar profundamente no tecido biológico. Isso os torna atraentes para imagens médicas e tecnologias de detecção.
Apesar de suas vantagens ópticas, essas nanopartículas apresentam uma grande desvantagem. Eles são isolantes elétricos, o que significa que não podem transportar corrente elétrica facilmente. Essa limitação impede que os cientistas os utilizem em dispositivos eletrônicos como LEDs.
Pesquisadores da Universidade de Cambridge encontraram uma maneira de contornar esse obstáculo, um feito que antes se pensava ser impossível em condições normais. Ao anexar moléculas orgânicas especialmente selecionadas a nanopartículas, a equipe criou um sistema capaz de transmitir energia elétrica para materiais isolantes.
O professor Akshay Rao, que liderou a pesquisa no Laboratório Cavendish, disse:”Essas nanopartículas são luminóforos maravilhosos, mas não podemos alimentá-las com eletricidade. Este é o principal obstáculo que impede seu uso na tecnologia cotidiana.” “Basicamente encontramos uma porta dos fundos para alimentá-los. As moléculas orgânicas agem como antenas, capturando portadores de carga e depois transferindo-os para a sua energia através de um trio especial de energia.
LED híbrido orgânico alcança mais de 98% de transferência de energia
Para fazer a tecnologia funcionar, os cientistas construíram um material híbrido que combina moléculas orgânicas com nanopartículas inorgânicas. Eles anexaram um corante orgânico chamado ácido 9-antracenocarboxílico (9-ACA) à superfície dos LnNPs.
Dentro do LED recém-projetado, a carga é direcionada para as moléculas de 9-ACA, e não para as próprias nanopartículas. Essas moléculas atuam como antenas moleculares, absorvendo a energia que chega e entrando em um “estado triplo” excitado.
Em muitos sistemas ópticos, os estados trigêmeos são considerados “escuros” porque sua energia é frequentemente perdida. No entanto, neste novo design, a energia tripla é transferida para os íons lantanídeos dentro das nanopartículas com mais de 98% de eficiência. Este processo faz com que as nanopartículas isolantes emitam luz brilhante e de alta pureza.
LED infravermelho próximo ultrapuro de baixa potência
O dispositivo resultante, denominado “LnLED”, opera a uma tensão relativamente baixa de cerca de 5 volts. Eles também produzem eletroluminescência com uma largura espectral extremamente estreita, tornando sua saída de luz mais pura do que tecnologias concorrentes, como pontos quânticos (QDs).
“A pureza da luz na segunda janela do infravermelho próximo emitida pelo nosso LnLED é uma enorme vantagem”, disse o Dr. Yuzhongzheng Yu, autor principal do estudo e pesquisador de pós-doutorado no Laboratório Cavendish. “Para aplicações como detecção biomédica ou comunicações ópticas, você precisa de comprimentos de onda específicos muito claros. Nosso dispositivo pode conseguir isso facilmente, o que é difícil de fazer com outros materiais.”
Potencial de imagens médicas e comunicações ópticas
A tecnologia pode levar a uma ampla gama de aplicações futuras. Como os LEDs emitem luz infravermelha próxima extremamente pura, eles podem permitir que novos dispositivos médicos vejam profundamente o corpo.
Minúsculos LnLEDs injetáveis ou vestíveis podem ajudar os médicos a detectar câncer, monitorar órgãos instantaneamente ou ativar medicamentos sensíveis à luz com precisão extremamente alta.
A emissão de luz estreita e estável também pode melhorar os sistemas de comunicação óptica, reduzindo a interferência e permitindo que maiores quantidades de dados sejam transmitidas de forma mais clara e eficiente. Além disso, a tecnologia poderá suportar detectores altamente sensíveis que possam identificar produtos químicos ou biomarcadores específicos.
Dispositivos de primeira geração já apresentam bons resultados
O LED NIR-II da equipe de pesquisa alcançou um pico de eficiência quântica externa de mais de 0,6%, um resultado impressionante para um dispositivo de primeira geração. Os cientistas também dizem que existem maneiras claras de melhorar ainda mais a eficácia.
“Este é apenas o começo. Desbloqueamos uma classe inteiramente nova de materiais optoeletrônicos”, acrescentou o Dr. Yunzhou Deng, pesquisador de pós-doutorado no Laboratório Cavendish. “Os princípios básicos são tão gerais que agora podemos explorar inúmeras combinações de moléculas orgânicas e nanomateriais isolantes. Isso nos permitirá criar dispositivos com propriedades personalizadas para aplicações nas quais ainda não pensamos.”
Este trabalho foi apoiado em parte por uma bolsa de pesquisa de fronteira de pesquisa e inovação do Reino Unido (UKRI) (EP/Y015584/1) e uma bolsa individual de pós-doutorado (Marie Skłodowska-Curie Fellowship Grant Scheme).
