Cientistas revelaram uma técnica que usa “antenas moleculares” para canalizar energia elétrica em nanopartículas isolantes. Essa abordagem cria uma nova família de LEDs ultrapuros de infravermelho próximo 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 eletricidade a materiais que normalmente não conduzem eletricidade, algo que antes se pensava ser impossível em condições normais. Ao anexar moléculas orgânicas cuidadosamente selecionadas que agem como pequenas antenas, eles criaram os primeiros diodos emissores de luz (LEDs) a partir de nanopartículas isolantes. Seu trabalho é relatado em naturezaapontando para uma nova geração de dispositivos para imagens biomédicas de tecidos profundos e transmissão de dados em alta velocidade.
A equipe se concentrou em nanopartículas dopadas com terras raras (LnNPs), uma classe bem conhecida de materiais elogiados por produzir luz extremamente pura e estável. Estas nanopartículas são particularmente eficazes na segunda região do infravermelho próximo, permitindo uma penetração profunda no tecido biológico. No entanto, até agora, as suas propriedades de isolamento eléctrico significavam que não podiam ser integrados em componentes electrónicos padrão, como LEDs.
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 um grande obstáculo que impede seu uso na tecnologia cotidiana.” “Essencialmente, encontramos uma porta dos fundos para alimentá-los. As moléculas orgânicas agem como antenas, capturando portadores de carga e depois ‘sussurrando’ para as nanopartículas através de um processo especial de transferência de energia tripla que é surpreendentemente eficiente.”
Projeto híbrido orgânico-inorgânico de antenas moleculares
Para superar o problema de isolamento, os pesquisadores criaram uma estrutura híbrida orgânico-inorgânica. Eles anexaram um corante orgânico com uma âncora de grupo funcional chamada ácido 9-antracenocarboxílico (9-ACA) à superfície dos LnNPs. No novo LED, a carga é injetada nessas moléculas de 9-ACA, que atuam como antenas moleculares, em vez de diretamente nas nanopartículas.
Uma vez aplicada a eletricidade, a molécula 9-ACA entra em um estado triplo excitado. Em muitos sistemas ópticos, este estado triplo é considerado “escuro”, o que significa que a sua energia é frequentemente perdida em vez de convertida em luz útil. Neste projeto, entretanto, a energia do estado tripleto é transferida para os íons lantanídeos dentro das nanopartículas isolantes com mais de 98% de eficiência, fazendo com que emitam luz muito brilhante.
Luz infravermelha próxima ultra pura de baixa tensão
Usando esta abordagem, o “LnLED” da equipe pode ser ligado em uma tensão operacional relativamente baixa de cerca de 5 volts. Ao mesmo tempo, produzem eletroluminescência com largura espectral extremamente estreita. Isto resulta numa emissão mais pura do que muitas tecnologias concorrentes, incluindo pontos quânticos (QDs).
“A pureza da luz na segunda janela do infravermelho próximo emitida pelo nosso LnLED é uma enorme vantagem”, disse o principal autor do estudo, Yuzhongzheng Yu, Ph.D., 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.”
Imagens biomédicas, comunicações ópticas e potencial de detecção
Como essas nanopartículas elétricas podem emitir uma luz tão limpa e clara, elas poderiam formar a base de tecnologias médicas avançadas. Minúsculos LnLEDs, que podem ser injetados ou incorporados em dispositivos vestíveis, podem ser usados para imagens de tecidos profundos para detectar câncer, rastrear funções de órgãos em tempo real ou acionar medicamentos ativados por luz com alta precisão.
Sua saída espectral estreita também os torna atraentes para comunicações ópticas, onde comprimentos de onda puros e estáveis podem ajudar a enviar mais dados com menos interferência. Além disso, a plataforma poderá suportar sensores altamente sensíveis que detectem produtos químicos ou biomarcadores muito específicos, melhorando assim as ferramentas de diagnóstico e a monitorização ambiental.
Desempenho de primeira geração e direções futuras
Nos primeiros testes, o LED NIR-II dos pesquisadores alcançou um pico de eficiência quântica externa de mais de 0,6%. Este desempenho é considerado muito promissor para um dispositivo de primeira geração construído a partir de nanopartículas isolantes alimentadas eletricamente. A equipe também identificou caminhos claros para melhorar ainda mais a eficiência em projetos futuros.
“Este é apenas o começo. Desbloqueamos uma classe inteiramente nova de materiais optoeletrônicos”, acrescentou o Dr. Yunzhou Deng, 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 parcialmente apoiado 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).
