Согласно исследованию, проведённому под руководством Мичиганского университета, новая синяя флуоресцентная молекула установила новые рекорды по эффективности излучения как в твёрдом, так и в жидком состоянии. Это открытие может проложить путь для применения в технологиях и медицине.
Флуоресцентные молекулы в дисплеях и сенсорах
Флуоресцентные молекулы, называемые флуорофорами, способны поглощать свет и излучать его на более низких уровнях энергии. Они светятся в OLED-дисплеях и помогают врачам и учёным понять, что происходит в клетках и тканях. В дисплеях и многих приложениях для сенсорных устройств требуется, чтобы флуорофоры были твёрдыми, в то время как жидкости обычно предпочтительнее для биологических применений. Большинство флуорофоров не работают хорошо в обеих формах, но этот — работает.
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications
Исследование под названием «Выяснение молекулярного структурного происхождения эффективного излучения в твёрдой и жидкой фазах одиночных бензольных флуорофоров» опубликовано в журнале Nature Communications.
«Флуоресцентный материал достиг рекордной яркости и эффективности с квантовой эффективностью 98% в твёрдом состоянии и 94% в растворе», — сказал Джинсанг Ким, профессор колледжа естественных наук и инженерии имени Рауля Копельмана в Департаменте материаловедения и инженерии Мичиганского университета, который руководил исследованием.
Особенности поведения флуорофоров в твёрдом состоянии
Часто инженеры, разрабатывающие флуорофоры, начинают с растворов, исследуя оптические свойства отдельных молекул, но сталкиваются с проблемами в их применении в твёрдом состоянии, когда молекулы флуорофора контактируют друг с другом.
«Флуорофоры ведут себя совсем по-разному в твёрдом состоянии, что затем требует более рациональных усилий по молекулярной инженерии для структурной модификации», — сказал Ким. «Изучая и устанавливая принцип молекулярного дизайна для создания флуорофоров, которые ярко светятся как в растворе, так и в твёрдом состоянии, мы сократили время и стоимость разработки для различных будущих применений».
Открытие универсального флуорофора
Первоначальное открытие универсального флуорофора, называемого для краткости TGlu, стало неожиданностью для ведущего автора исследования Джунг-Му Хо, научного сотрудника Мичиганского университета в области материаловедения и инженерии.
«TGlu был промежуточным шагом для другого химического дизайна, но во время очистки я обнаружил, что он удивительно высокоэмиссивен не только в растворе, но и в твёрдом состоянии», — сказал Хо.
Открытие привело к систематическому изучению для установления оптимального дизайна. В результате была получена простая конструкция: ядро с одним бензольным кольцом — шесть атомов углерода, соединённых в шестиугольник. Исследователи расположили две группы, отдающие электроны, называемые донорными группами, напротив друг друга по кольцу. Рядом с донорами они разместили две акцепторные группы, которые оттягивают электроны, также напротив друг друга по кольцу.
«Эта так называемая квадрупольная структура симметрично распределяет заряд по молекуле, обеспечивая стабильное излучение в различных средах», — сказал Хо.
Принцип работы флуорофора TGlu
Поскольку кольцо состоит всего из шести точек, донорные и акцепторные группы расположены рядом друг с другом. Это пространственное расположение уменьшает энергетическую щель по сравнению с другими подобными молекулами в компактной структуре, что означает, что флуорофору требуется относительно небольшое количество энергии для перемещения электрона из основного состояния в возбуждённое — подобно прыжку по ступеньке лестницы.
Однако небольшой размер молекулы означает, что общая длина сопряжения остаётся ограниченной — это означает, что электроны не могут распространяться слишком далеко по молекуле. Это сохраняет абсолютную энергетическую щель — расстояние между ступеньками лестницы — достаточно широким для излучения синего света вместо смещения в сторону более узких цветов энергетической щели, таких как красный.
Исследование и оптимизация
После серии экспериментов с акцепторными группами исследователи обнаружили одну, которая стабилизирует возбуждённое состояние. Даже при небольшой энергетической щели эта акцепторная группа предотвращает потерю тепла, ограничивая доступ к так называемым коническим пересечениям, которые функционируют как «выходные двери» для утечки энергии. Это неожиданное поведение, называемое законом инвертированной энергетической щели, было подтверждено как экспериментально, так и с помощью квантово-химических симуляций.
В твёрдом состоянии акцепторные группы, которые были специально разработаны как объёмные, предотвращают слишком близкое сближение молекул, что приводит к потере яркости флуорофоров, поскольку энергия уходит в виде тепла вместо света — явление, известное как тушение.
Простота производства и масштабируемость
Небольшой высокоэфективный флуорофор прост в производстве — требуется всего три шага, что увеличивает его масштабируемость при одновременном снижении производственных затрат.
Текущий дизайн TGlu излучает синий свет. В качестве следующего шага исследователи отрегулируют энергетическую щель и, таким образом, цвет. Кроме того, хотя высокий квантовый выход от светового возбуждения является многообещающим, производительность устройства при электрическом возбуждении требует отдельного тестирования из-за дополнительных механизмов потерь.
Хо также планирует разработать фосфоресцентную версию молекулы, поскольку люминофоры в целом более энергоэффективны, чем флуорофоры, для использования в технологии отображения.
Автономный университет Мадрида, Университет Валенсии, Тюбингенский университет имени Эберхарда Карла и Сеульский национальный университет также внесли свой вклад в это исследование.
Предоставлено: [University of Michigan](https://phys.org/partners/university-of-michigan/)