Os cientistas desenvolveram uma nova forma surpreendente de alimentar materiais que normalmente não podem conduzir eletricidade, abrindo a porta para uma nova geração de LEDs ultrapuros de infravermelho próximo para imagens médicas, tecnologia de comunicações e sensores avançados.
A descoberta depende de minúsculas “antenas moleculares” que direcionam a energia elétrica para nanopartículas isolantes. Usando este método, pesquisadores do Laboratório Cavendish da Universidade de Cambridge criaram os primeiros diodos emissores de luz já feitos a partir desses materiais anteriormente “impossíveis”.
Seus resultados foram publicados em Natureza.
Antenas moleculares isolam nanopartículas
A pesquisa centra-se em nanopartículas dopadas com lantanídeos (LnNPs), materiais conhecidos por produzirem luz excepcionalmente estável e muito limpa. 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 das suas vantagens ópticas, estas nanopartículas têm uma grande desvantagem. Eles são isolantes elétricos, o que significa que não podem transportar corrente elétrica facilmente. Essa limitação impediu que os cientistas os utilizassem em dispositivos eletrônicos como os LEDs.
Os investigadores de Cambridge encontraram uma forma de contornar este obstáculo que antes se pensava ser impossível em condições normais. Ao anexar moléculas orgânicas especialmente selecionadas a nanopartículas, a equipe criou um sistema capaz de transferir energia elétrica para um material isolante.
“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.”
LEDs híbridos orgânicos fornecem mais de 98% de transferência de energia
Para fazer a tecnologia funcionar, os cientistas criaram um material híbrido que combina moléculas orgânicas com nanopartículas inorgânicas. Eles anexaram um corante orgânico chamado ácido 9-antraceno carboxílico (9-ACA) à superfície dos LnNPs.
Dentro dos LEDs recentemente desenvolvidos, as cargas elétricas são canalizadas para as moléculas de 9-ACA, e não para as próprias nanopartículas. Essas moléculas atuam como antenas moleculares, absorvendo a energia recebida e fazendo a transição para um “estado triplo” excitado.
Em muitos sistemas ópticos, os estados trigêmeos são considerados “escuros” porque sua energia é frequentemente perdida. Porém, neste novo design, a energia tripla é transferida pelos íons lantanídeos dentro das nanopartículas com eficiência superior a 98%. Este processo faz com que as nanopartículas isolantes emitam luz brilhante e ultrapura.
LEDs infravermelhos próximos ultrapuros com baixo consumo de energia
Os dispositivos resultantes, chamados “LnLEDs”, operam com uma tensão relativamente baixa de cerca de 5 volts. Eles também produzem eletroluminescência com uma largura espectral extremamente estreita, proporcionando um feixe de luz muito mais puro do que tecnologias concorrentes, como 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.”
O potencial da imagem médica e da comunicação óptica
A tecnologia pode levar a uma ampla gama de aplicações no futuro. Como os LEDs emitem luz infravermelha próxima extremamente pura, eles podem permitir novos dispositivos médicos que podem ver as profundezas do corpo.
Pequenos LnLEDs injetáveis ou vestíveis poderiam ajudar os médicos a detectar o câncer, monitorar a função dos órgãos em tempo real ou ativar medicamentos sensíveis à luz com precisão excepcional.
Um feixe de luz estreito e estável também pode melhorar os sistemas de comunicação óptica, reduzindo a interferência e permitindo que grandes quantidades de dados viajem de forma mais clara e eficiente. Além disso, a tecnologia pode suportar detectores altamente sensíveis, capazes de identificar produtos químicos ou marcadores biológicos específicos.
Aparelhos da primeira geração já apresentam bons resultados
A equipe de pesquisa já alcançou um pico de eficiência quântica externa de mais de 0,6% para seus LEDs NIR-II, o que é um resultado impressionante para um dispositivo de primeira geração. Os cientistas também dizem que existem maneiras claras de melhorar ainda mais o desempenho.
“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.”
O trabalho foi parcialmente financiado por uma bolsa de pesquisa UKRI Frontier (EP/Y015584/1) e bolsas individuais de doutorado (Marie Skladowska-Curie Fellowship Scheme).
