MWC 2018
2018
Computex
IFA 2018
Исследователи из Университета Кюсю (Kyushu University) разработали органическую молекулу, которая может эффективно поглощать фотоны и излучать их. Это открытие способно одновременно изменить потребительскую электронику и биомедицинскую диагностику. Могут появиться яркие OLED и носимые датчики, которые больше расскажут о вашем здоровье, чем современные медицинские сканеры.
Источник изображения: Kyushu University
Новая органическая молекула действует как «переключатель», изменяя свою структуру либо для излучения света в органических светодиодах, либо для поглощения света для визуализации глубоко залегающих тканей в организме. Впервые эти «противоречивые» качества были заложены в одной-единственной органической молекуле, что может найти своё применение при производстве OLED нового поколения и медицинского оборудования для глубокой визуализации.
До этого каждое из направлений использовало материалы со своими уникальными свойствами: для OLED требовались соединения для излучения фотонов с максимальной эффективностью, а для медицинских сканеров нужны были вещества, поглощающие свет без повреждения живых клеток. Как сообщили в журнале Advanced Materials учёные, открытый ими материала обеспечивает эффективное светоизлучение для экранов нового поколения и сильное светопоглощение для высокоточной визуализации в глубоких слоях организма.
Это открытие может проложить путь к созданию устройств, которые объединят досуг и здравоохранение, используя одну молекулу для создания более ярких дисплеев и обеспечения более точной и безопасной диагностики.
В своей работе учёные обратились к такому явлению, как термически активируемая замедленная флуоресценция (TADF, Thermally Activated Delayed Fluorescence). Следует сказать, что в обычном случае фотон в материале испускается в процессе рекомбинации дырки и электрона, но не напрямую. Рекомбинация ведёт к рождению квазичастиц — синглетов и триплетов. Фотоны испускают только синглеты, а триплеты, которых образуется в три раза больше, только нагревают материал, что снижает эффективность и яркость OLED. Явление TADF ведёт к трансформации триплетов в синглеты и к излучению дополнительных фотонов. Сильный эффект TADF — это то, к чему стремятся все исследователи. Именно сильный TADF реализован в новом соединении, но не только он.
Для безопасного сканирования тканей человека используют материалы, которые могут поглощать низкоэнергетические фотоны в ближнем инфракрасном диапазоне. Мы же не хотим прожарить пациента? Для этого хорошо использовать вещества с так называемым двухфотонным поглощением (2PA). За счёт малого рассеяния такое поглощение вкупе с безопасным диапазоном обеспечивает чёткое изображение в фокусе сканирующего луча.
Объединение сильного TADF и высокого 2PA в одной молекуле долгое время оставалось сложной задачей. TADF лучше всего работает в скрученных молекулярных структурах с разделёнными электронными орбиталями. Для 2PA обычно требуются плоские структуры с высоким перекрытием орбиталей. Эти требования часто противоречат друг другу, поэтому молекулы с двойной функцией встречаются редко.
Для решения этой проблемы, команда из Университета Кюсю разработала молекулу под названием CzTRZCN. Она сочетает в себе богатый электронами карбазольный фрагмент и триазиновое ядро с дефицитом электронов. Цианогруппы в соединении корректируют расположение орбиталей, притягивая к себе электроны. Такая архитектура позволяет молекуле действовать как «переключатель». Во время поглощения CzTRZCN сохраняет достаточное перекрытие орбиталей для эффективного 2PA. После возбуждения молекула меняет структуру, разделяя орбитали, что позволяет использовать эффект TADF.
Чудесные свойства молекулы были подтверждены с помощью теоретических расчётов, а также экспериментально. В OLED-устройстве CzTRZCN достиг внешней квантовой эффективности в 13,5 %, что является рекордом для материалов TADF на основе триазина. Он также продемонстрировал высокое поперечное сечение 2PA и высокую яркость, что делает его перспективным для медицинской визуализации. Учёные подчёркивают, что отсутствие металлов в молекуле и её низкая токсичность делают её высокобиосовместимой и идеально подходящей для медицинских зондов.
В исследовании описана стратегия создания молекул с различным расположением орбиталей для поглощения и излучения света. Этот подход может стать основой для создания новых многофункциональных материалов, которые можно будет использовать не только в медицине и для дисплеев. Например, исследователи планируют увеличить охват спектра — использовать больше длин волн излучения, а также наладить сотрудничество с инженерами в области биомедицины и разработки устройств. Возможные области применения включают визуализацию в живых организмах, носимые датчики и дисплеи нового поколения OLED.
Источник:
