Os cientistas apresentaram um método que utiliza “antenas moleculares” para direcionar energia elétrica para 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 controlar a corrente elétrica em materiais normalmente não condutores, o que antes se pensava ser impossível em condições normais. Ao anexar moléculas orgânicas cuidadosamente selecionadas que atuam como pequenas antenas, eles construíram os primeiros diodos emissores de luz (LEDs) a partir de nanopartículas isolantes. Sobre o trabalho deles, disse v Naturezaaponta 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 lantanídeos (LnNPs), uma classe bem conhecida de materiais valorizados por produzir luz extremamente pura e estável. Estas nanopartículas são particularmente eficazes na segunda região do infravermelho próximo, que é capaz de penetrar profundamente no tecido biológico. No entanto, até agora, a sua natureza eletricamente isolante significava que não podiam ser integrados em componentes eletrónicos padrão, como LEDs.
“Essas nanopartículas são fantásticos emissores de luz, mas não poderíamos alimentá-las com eletricidade. Este tem sido um grande obstáculo ao seu uso na tecnologia cotidiana”, disse o professor Akshay Rao, que liderou a pesquisa no Laboratório Cavendish. “Basicamente, encontramos uma porta dos fundos para sua nutrição. As moléculas orgânicas atuam como antenas, prendendo os portadores de carga e depois ‘sussurrando’ para as nanopartículas através de um processo especial de transferência de energia tripla que é incrivelmente eficiente.”
Projeto híbrido orgânico-inorgânico com antenas moleculares
Para superar o problema do isolamento, os pesquisadores criaram uma estrutura híbrida orgânico-inorgânica. Eles anexaram um corante orgânico com uma âncora de grupo funcional, chamado ácido 9-antracenocarboxílico (9-ACA), à superfície dos LnNPs. Nos novos LEDs, cargas elétricas são injetadas nessas moléculas de 9-ACA, que atuam como uma antena molecular, e não diretamente na nanopartícula.
Depois de fornecer energia, as moléculas de 9-ASA passam para o estado excitado de tripleto. Em muitos sistemas ópticos, este estado triplo é considerado “escuro”, o que significa que a sua energia é frequentemente perdida em vez de ser convertida em luz útil. Porém, neste projeto, a energia do estado tripleto é transferida com mais de 98% de eficiência para os íons lantanídeos nas nanopartículas isolantes, fazendo com que emitam luz com brilho extraordinário.
Luz infravermelha próxima ultrapura em baixa tensão
Usando este método, o comando “LnLED” pode ser ligado com uma tensão operacional relativamente baixa de cerca de 5 volts. Ao mesmo tempo, geram eletroluminescência com largura espectral extremamente estreita. Isto torna a radiação muito mais limpa do que a de muitas tecnologias concorrentes, incluindo pontos quânticos (QDs).
“A pureza da luz na segunda janela do infravermelho próximo emitida pelos nossos LnLEDs é uma enorme vantagem”, disse o Dr. Zhongzheng Yu, principal autor do estudo e pesquisador do Laboratório Cavendish. “Para aplicações como detecção biomédica ou comunicação óptica, você precisa de um comprimento de onda específico e muito nítido. Nossos dispositivos conseguem isso sem esforço, o que é muito difícil de fazer com outros materiais.”
Imagem biomédica, comunicação óptica e potencial de detecção
Como essas nanopartículas elétricas podem emitir luz pura e clara, elas poderiam se tornar a base da tecnologia médica avançada. Minúsculos LnLEDs, potencialmente injetáveis ou incorporados em dispositivos vestíveis, poderiam ser usados para obter imagens de tecidos profundos para encontrar câncer, monitorar a função de órgãos em tempo real ou acionar medicamentos ativados por luz com alta precisão.
Seu rendimento espectral estreito também os torna atraentes para comunicações ópticas, onde comprimentos de onda limpos e estáveis podem ajudar a enviar mais dados com menos interferência. Além disso, esta plataforma pode suportar sensores altamente sensíveis que detectam produtos químicos ou marcadores biológicos altamente específicos, melhorando as ferramentas de diagnóstico e monitoramento ambiental.
Desempenho de primeira geração e direções futuras
Nos primeiros testes, os pesquisadores alcançaram picos de eficiência quântica externa acima de 0,6% para seus LEDs NIR-II. Para um dispositivo de primeira geração construído a partir de nanopartículas eletricamente isolantes, esse desempenho é considerado muito promissor. A equipe também identificou caminhos claros para maiores ganhos de eficiência em projetos futuros.
“Este é apenas o começo. Descobrimos uma classe totalmente nova de materiais para optoeletrônica”, acrescentou o Dr. Yunzhou Deng, pesquisador do Laboratório Cavendish. “O princípio fundamental é tão versátil que agora podemos explorar inúmeras combinações de moléculas orgânicas e nanomateriais isolantes. Isso nos permitirá criar dispositivos com propriedades individuais para aplicações nas quais ainda nem pensamos.”
Este trabalho foi apoiado em parte por uma bolsa de pesquisa de fronteira do UKRI (EP/Y015584/1) e bolsas individuais de doutorado (Marie Skladowska-Curie Fellowship Scheme).
