Os cientistas desenvolveram uma nova forma surpreendente de a eletricidade normalmente não poder 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 canalizam energia elétrica para isoladores de nanopartículas. Usando este método, pesquisadores do Laboratório Cavendish da Universidade de Cambridge criaram os primeiros LEDs feitos a partir desses materiais anteriormente “impotentes”.
Seus resultados foram publicados a natureza.
Antenas moleculares alimentam nanopartículas isolantes
Centros de pesquisa em nanopartículas dopadas com lantanídeos (LnNPs), materiais conhecidos por produzirem luz notavelmente estável e altamente pura. 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 de suas vantagens ópticas, essas nanopartículas apresentam uma grande desvantagem. Eles são isolantes elétricos, o que significa que não podem transportar corrente elétrica facilmente. Essa limitação impediu os cientistas de usá-lo em dispositivos eletrônicos como LEDs.
Os investigadores de Cambridge encontraram uma forma de contornar essa barreira, anteriormente considerada impossível em condições normais. Ao anexar biomoléculas especialmente selecionadas a nanopartículas, a equipe criou um sistema capaz de transferir energia elétrica para materiais isolantes.
“Essas nanopartículas são excelentes emissores de luz, mas não poderíamos alimentá-las com eletricidade. Esse foi um grande obstáculo que impediu seu uso na tecnologia cotidiana”, disse o professor Akshay Rao, que liderou a pesquisa no Laboratório Cavendish. “Basicamente encontramos uma porta dos fundos para alimentá-los. As biomoléculas agem como antenas, capturando os portadores de carga e depois ‘sussurrando’ eles para as nanopartículas através de um processo especial de transferência de energia tripla, que é incrivelmente eficiente.”
LEDs híbridos orgânicos alcançam transferência de energia superior a 98%
Para fazer a tecnologia funcionar, os cientistas desenvolveram um material híbrido que combina moléculas orgânicas com nanopartículas inorgânicas. Eles anexaram um corante orgânico chamado ácido 9-antracenocarboxílico (9-ACA) à superfície dos LnNPs.
Dentro do LED recém-projetado, as cargas elétricas são direcionadas para moléculas de 9-ACA em vez de nanopartículas. Essas moléculas atuam como antenas moleculares que absorvem a energia recebida e entram em um “estado triplo” excitado.
Em muitos sistemas ópticos, os estados trigêmeos são considerados “escuros” porque sua energia é frequentemente perdida. Neste novo design, no entanto, a energia tripla é transferida para os íons lantanídeos dentro das nanopartículas com eficiência superior a 98%. Este processo faz com que as nanopartículas isolantes emitam luz brilhante e altamente pura.
LEDs infravermelhos próximos ultra puros com baixo consumo de energia
Os dispositivos resultantes, conhecidos como “LnLEDs”, operam em tensões relativamente baixas, de cerca de 5 volts. Eles produzem eletroluminescência com uma largura espectral extremamente estreita, proporcionando uma saída de luz muito mais pura do que tecnologias concorrentes, como 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, autor principal do estudo e pesquisador de pós-doutorado no Laboratório Cavendish. “Para aplicações como detecção biomédica ou comunicação óptica, você deseja um comprimento de onda específico e muito nítido. Nossos dispositivos conseguem isso sem esforço, o que é muito difícil de fazer com outros materiais.”
Imagens médicas e potencial de comunicação óptica
A tecnologia pode levar a uma ampla gama de aplicações futuras. Como os LEDs emitem luz infravermelha próxima altamente pura, eles poderiam permitir novos dispositivos médicos capazes de ver o interior do corpo.
Pequenos LnLEDs injetáveis ou vestíveis poderiam ajudar os médicos a detectar câncer, monitorar órgãos em tempo real ou ativar medicamentos sensíveis à luz com precisão excepcional.
A emissão de luz estreita e estável pode melhorar os sistemas de comunicação óptica, reduzindo a interferência e permitindo que maiores quantidades de dados viajem de forma mais clara e eficiente. Além disso, a tecnologia pode suportar detectores altamente sensíveis, capazes de detectar marcadores químicos ou biológicos específicos.
Dispositivos de primeira geração já apresentam bons resultados
A equipe de pesquisa já alcançou uma eficiência quântica externa de mais de 0,6% para seu LED NIR-II, um resultado impressionante para um dispositivo de primeira geração. Os cientistas também dizem que há caminhos claros para melhorar ainda mais o desempenho.
“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 básico é tão versátil que agora podemos explorar inúmeras combinações de biomoléculas e nanomateriais isolantes. Isso nos permitirá criar dispositivos com propriedades adequadas para aplicações nas quais ainda não pensamos.”
O trabalho recebeu apoio parcial de uma bolsa de pesquisa de fronteira para pesquisa e inovação do Reino Unido (UKRI) (EP/Y015584/1) e uma bolsa individual de pós-doutorado (Marie Skłodowska-Curie Fellowship Grant Scheme).
