A inovação “impossível” do LED que muda tudo

Pesquisadores do Laboratório Cavendish, da Universidade de Cambridge, descobriram como conduzir corrente elétrica a materiais que normalmente não conduzem, um feito anteriormente considerado impossível em condições normais. Ao anexar moléculas orgânicas cuidadosamente escolhidas que agem como pequenas antenas, eles construíram os primeiros diodos emissores de luz (LEDs) a partir de nanopartículas isolantes. Seu trabalho, relatado em 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 valorizada por produzir luz extremamente pura e estável. Estas nanopartículas são especialmente eficazes na segunda região do infravermelho próximo, que é capaz de penetrar profundamente no tecido biológico. Até agora, no entanto, o seu caráter 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. Era uma grande barreira que impedia seu uso na tecnologia cotidiana”, disse o professor Akshay Rao, que liderou a pesquisa no Laboratório Cavendish. “Nós essencialmente encontramos uma porta dos fundos para alimentá-los. As moléculas orgânicas agem como antenas, capturando portadores de carga e então ‘sussurrando’ para a nanopartícula através de um processo especial de transferência de energia tripla, que é surpreendentemente eficiente.”

Design Híbrido Orgânico-Inorgânico com 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, 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 nas nanopartículas.

Uma vez energizadas, as moléculas de 9-ACA entram 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 com mais de 98% de eficiência para os íons lantanídeos dentro das nanopartículas isolantes, fazendo com que emitam luz com brilho notável.

Luz infravermelha próxima ultrapura em baixa tensão

Usando este método, os “LnLEDs” da equipe podem ser ligados com uma tensão operacional relativamente baixa de cerca de 5 volts. Ao mesmo tempo, geram eletroluminescência com largura espectral extremamente estreita. Isto torna a emissão muito mais pura do que a de muitas tecnologias concorrentes, incluindo pontos quânticos (QDs).

“A pureza da luz na segunda janela do infravermelho próximo emitida por nossos LnLEDs é uma enorme vantagem”, disse o Dr. Zhongzheng Yu, principal autor do estudo e pesquisador de pós-doutorado no Laboratório Cavendish. “Para aplicações como detecção biomédica ou comunicações ópticas, você deseja um comprimento de onda específico e muito nítido. Nossos dispositivos conseguem isso sem esforço, algo que é muito difícil de fazer com outros materiais.”

Imagens biomédicas, comunicações ópticas e potencial de detecção

Como essas nanopartículas alimentadas eletricamente podem emitir luz limpa e bem definida, elas poderiam formar a base de tecnologias médicas avançadas. Minúsculos LnLEDs, potencialmente injetáveis ​​ou incorporados em dispositivos vestíveis, podem ser usados ​​para imagens de tecidos profundos para encontrar cânceres, 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, esta plataforma poderia suportar sensores altamente sensíveis que detectam produtos químicos ou marcadores biológicos muito específicos, melhorando as ferramentas de diagnóstico e a monitorização ambiental.

Desempenho de primeira geração e direções futuras

Nos primeiros testes, os pesquisadores alcançaram um pico de eficiência quântica externa acima de 0,6% para seus LEDs NIR-II. Para um dispositivo de primeira geração construído a partir de nanopartículas isolantes alimentadas eletricamente, esse desempenho é considerado muito promissor. A equipe também identificou caminhos claros para aumentar ainda mais a eficiência em projetos futuros.

“Este é apenas o começo. Desbloqueamos uma classe totalmente nova de materiais para optoeletrônica, “acrescentou o Dr. Yunzhou Deng, pesquisador associado de pós-doutorado no 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 personalizadas para aplicações nas quais ainda nem pensamos.”

Este trabalho foi apoiado em parte por uma bolsa de pesquisa de fronteira para pesquisa e inovação do Reino Unido (UKRI) (EP/Y015584/1) e bolsas individuais de pós-doutorado (esquema de bolsas Marie Skłodowska-Curie).