Οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει έναν εκπληκτικό νέο τρόπο με τον οποίο ο ηλεκτρισμός κανονικά δεν μπορεί να μεταφέρει ηλεκτρισμό, ανοίγοντας την πόρτα σε μια νέα γενιά υπερκαθαρών εγγύς υπέρυθρων LED για ιατρική απεικόνιση, τεχνολογία επικοινωνιών και προηγμένους αισθητήρες.
Η ανακάλυψη βασίζεται σε μικροσκοπικές «μοριακές κεραίες» που διοχετεύουν ηλεκτρική ενέργεια σε μονωτές νανοσωματιδίων. Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, ερευνητές στο εργαστήριο Cavendish του Πανεπιστημίου του Κέμπριτζ δημιούργησαν τα πρώτα LED που κατασκευάστηκαν από αυτά τα προηγουμένως «ανίσχυρα» υλικά.
Τα αποτελέσματά τους δημοσιεύτηκαν η φύση.
Μοριακές κεραίες νανοσωματίδια ισχύος
Ερευνητικά κέντρα σε νανοσωματίδια με λανθανίδη (LnNPs), υλικά που είναι γνωστό ότι παράγουν εξαιρετικά σταθερό και εξαιρετικά καθαρό φως. Είναι ιδιαίτερα πολύτιμα επειδή εκπέμπουν φως στη δεύτερη περιοχή κοντά στο υπέρυθρο, η οποία μπορεί να ταξιδέψει βαθιά στον βιολογικό ιστό. Αυτό τα καθιστά ελκυστικά για τεχνολογίες ιατρικής απεικόνισης και ανίχνευσης.
Παρά τα οπτικά τους πλεονεκτήματα, αυτά τα νανοσωματίδια έχουν ένα σημαντικό μειονέκτημα. Είναι ηλεκτρικοί μονωτές, που σημαίνει ότι δεν μπορούν να μεταφέρουν εύκολα ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτός ο περιορισμός έχει εμποδίσει τους επιστήμονες να το χρησιμοποιούν σε ηλεκτρονικές συσκευές όπως τα LED.
Οι ερευνητές του Κέιμπριτζ βρήκαν έναν τρόπο να ξεπεράσουν αυτό το φράγμα, που προηγουμένως θεωρούνταν αδύνατο υπό κανονικές συνθήκες. Προσαρτώντας ειδικά επιλεγμένα βιομόρια σε νανοσωματίδια, η ομάδα δημιούργησε ένα σύστημα ικανό να μεταφέρει ηλεκτρική ενέργεια σε μονωτικά υλικά.
“Αυτά τα νανοσωματίδια είναι εξαιρετικοί εκπομποί φωτός, αλλά δεν μπορέσαμε να τα τροφοδοτήσουμε με ηλεκτρισμό. Αυτό ήταν ένα σημαντικό εμπόδιο που εμπόδιζε τη χρήση τους στην καθημερινή τεχνολογία”, δήλωσε ο καθηγητής Akshay Rao, ο οποίος ηγήθηκε της έρευνας στο εργαστήριο Cavendish. “Βρήκαμε βασικά μια πίσω πόρτα για να τα τροφοδοτήσουμε. Τα βιομόρια λειτουργούν σαν κεραίες, συλλαμβάνουν τους φορείς φορτίου και στη συνέχεια τους “ψιθυρίζουν” στα νανοσωματίδια μέσω μιας ειδικής διαδικασίας μεταφοράς ενέργειας τριπλής, η οποία είναι εκπληκτικά αποτελεσματική.”
Τα οργανικά υβριδικά LED επιτυγχάνουν μεταφορά ενέργειας πάνω από 98%
Για να λειτουργήσει η τεχνολογία, οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει ένα υβριδικό υλικό που συνδυάζει οργανικά μόρια με ανόργανα νανοσωματίδια. Προσέδεσαν μια οργανική χρωστική που ονομάζεται 9-ανθρακενοκαρβοξυλικό οξύ (9-ACA) στην επιφάνεια των LnNPs.
Μέσα στο πρόσφατα σχεδιασμένο LED, τα ηλεκτρικά φορτία κατευθύνονται σε μόρια 9-ACA αντί για νανοσωματίδια. Αυτά τα μόρια λειτουργούν ως μοριακές κεραίες που απορροφούν την εισερχόμενη ενέργεια και εισέρχονται σε μια διεγερμένη «τριπλή κατάσταση».
Σε πολλά οπτικά συστήματα, οι τριπλές καταστάσεις θεωρούνται «σκοτεινές» επειδή συχνά χάνεται η ενέργειά τους. Σε αυτό το νέο σχέδιο, ωστόσο, η τριπλή ενέργεια μεταφέρεται στα ιόντα λανθανίδης μέσα στα νανοσωματίδια με απόδοση μεγαλύτερη από 98%. Αυτή η διαδικασία αναγκάζει τα μονωτικά νανοσωματίδια να εκπέμπουν φωτεινό, εξαιρετικά καθαρό φως.
Εξαιρετικά καθαρά LED κοντά στο υπέρυθρο με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας
Οι συσκευές που προκύπτουν, γνωστές ως “LnLED”, λειτουργούν σε σχετικά χαμηλές τάσεις περίπου 5 βολτ. Παράγουν ηλεκτροφωταύγεια με εξαιρετικά στενό φασματικό πλάτος, δίνοντάς τους πολύ πιο καθαρή απόδοση φωτός από ανταγωνιστικές τεχνολογίες όπως οι κβαντικές κουκκίδες (QDs).
«Η καθαρότητα του φωτός στο δεύτερο παράθυρο κοντά στο υπέρυθρο που εκπέμπεται από τα LnLED μας είναι ένα τεράστιο πλεονέκτημα», δήλωσε ο Δρ Zhongzheng Yu, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης και μεταδιδακτορικός ερευνητικός συνεργάτης στο Εργαστήριο Cavendish. “Για εφαρμογές όπως η βιοϊατρική ανίχνευση ή η οπτική επικοινωνία, θέλετε ένα πολύ ευκρινές, συγκεκριμένο μήκος κύματος. Οι συσκευές μας το επιτυγχάνουν αυτό χωρίς κόπο, κάτι που είναι πολύ δύσκολο με άλλα υλικά.”
Ιατρική απεικόνιση και οπτική δυνατότητα επικοινωνίας
Η τεχνολογία θα μπορούσε να οδηγήσει σε ένα ευρύ φάσμα μελλοντικών εφαρμογών. Επειδή τα LED εκπέμπουν πολύ καθαρό κοντά στο υπέρυθρο φως, θα μπορούσαν να ενεργοποιήσουν νέες ιατρικές συσκευές ικανές να βλέπουν βαθιά μέσα στο σώμα.
Μικροσκοπικά ενέσιμα ή φορητά LnLED θα μπορούσαν ενδεχομένως να βοηθήσουν τους γιατρούς να ανιχνεύσουν τον καρκίνο, να παρακολουθούν όργανα σε πραγματικό χρόνο ή να ενεργοποιούν φωτοευαίσθητα φάρμακα με εξαιρετική ακρίβεια.
Η στενή και σταθερή εκπομπή φωτός μπορεί να βελτιώσει τα συστήματα οπτικής επικοινωνίας μειώνοντας τις παρεμβολές και επιτρέποντας σε μεγαλύτερες ποσότητες δεδομένων να ταξιδεύουν πιο καθαρά και αποτελεσματικά. Επιπλέον, η τεχνολογία μπορεί να υποστηρίξει ιδιαίτερα ευαίσθητους ανιχνευτές ικανούς να ανιχνεύουν συγκεκριμένους χημικούς ή βιολογικούς δείκτες.
Οι συσκευές πρώτης γενιάς έχουν ήδη ισχυρά αποτελέσματα
Η ερευνητική ομάδα έχει ήδη επιτύχει εξωτερική κβαντική απόδοση άνω του 0,6% για το NIR-II LED, ένα εντυπωσιακό αποτέλεσμα για μια συσκευή πρώιμης γενιάς. Οι επιστήμονες λένε επίσης ότι υπάρχουν σαφείς δρόμοι για περαιτέρω βελτίωση της απόδοσης.
“Αυτή είναι μόνο η αρχή. Ξεκλειδώσαμε μια εντελώς νέα κατηγορία υλικών για την οπτοηλεκτρονική”, πρόσθεσε ο Δρ Yunzhou Deng, μεταδιδακτορικός ερευνητικός συνεργάτης στο Cavendish Laboratory. “Η βασική αρχή είναι τόσο ευέλικτη που μπορούμε τώρα να εξερευνήσουμε αμέτρητους συνδυασμούς βιομορίων και μονωτικών νανοϋλικών. Αυτό θα μας επιτρέψει να δημιουργήσουμε συσκευές με ιδιότητες κατάλληλες για εφαρμογές που δεν έχουμε ακόμη σκεφτεί.”
Η εργασία έλαβε μερική υποστήριξη από μια επιχορήγηση συνόρων έρευνας του Ηνωμένου Βασιλείου για την Έρευνα και Καινοτομία (UKRI) (EP/Y015584/1) και μια Μεταδιδακτορική Ατομική Υποτροφία (Σχέδιο υποτροφιών Marie Skłodowska-Curie).
