Cientistas revelaram uma técnica que utiliza ‘antenas moleculares’ para direcionar energia elétrica para nanopartículas isolantes. Esta abordagem cria uma nova família de LEDs ultrapuros de infravermelho próximo que podem ser usados em diagnósticos médicos, sistemas de comunicação óptica e detectores sensíveis.
Pesquisadores do Laboratório Cavendish, da Universidade de Cambridge, descobriram como conduzir uma corrente elétrica em materiais que normalmente não conduzem, um feito anteriormente considerado impossível em condições normais. Ao anexar moléculas orgânicas cuidadosamente selecionadas que agem como pequenas antenas, eles criaram os diodos emissores de Prothom-alo (LEDs) a partir de isoladores de nanopartículas. Seu trabalho, relatórios a 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 conhecida e valiosa para a produção de luz altamente pura e estável. Estas nanopartículas são particularmente eficazes na segunda região do infravermelho próximo, capazes 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 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.”
Projeto híbrido orgânico-inorgânico com antenas moleculares
Para superar o problema de isolamento, os pesquisadores desenvolveram uma estrutura híbrida orgânico-inorgânica. Eles anexaram um corante orgânico com uma âncora de grupo funcional chamada ácido 9-antracenocarboxílico (9-ACA) à superfície dos LnNPs. No novo LED, cargas elétricas são injetadas nessas moléculas de 9-ACA, que atuam como uma antena molecular, e não diretamente nas nanopartículas.
Uma vez energizada, a molécula 9-ACA entra 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 ser convertida em luz útil. Neste projeto, entretanto, a energia do estado tripleto é transferida com eficiência superior a 98% 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, produzem eletroluminescência com largura espectral extremamente estreita. Isto torna a emissão muito mais pura do que 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, 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 biomédicas, comunicações ópticas e potencial de detecção
Como essas nanopartículas eletricamente condutoras podem emitir uma luz tão clara e bem definida, elas poderiam formar a base da tecnologia médica avançada. Minúsculos LnLEDs, potencialmente incorporados em dispositivos injetáveis ou vestíveis, poderiam ser usados para imagens de tecidos profundos para encontrar câncer, rastrear funções de órgãos em tempo real ou acionar medicamentos ativados por luz com alta precisão.
Sua saída espectral estreita 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 pode suportar sensores altamente sensíveis que detectam marcadores químicos ou biológicos muito específicos, melhorando as ferramentas de diagnóstico e monitorização ambiental.
Desempenho de primeira geração e direções futuras
Em testes preliminares, os pesquisadores alcançaram uma eficiência quântica externa acima de 0,6% para seus LEDs NIR-II. Para um dispositivo de primeira geração feito de nanopartículas isolantes eletricamente condutoras, esse desempenho é considerado muito promissor. A equipe também identificou caminhos claros para aumentar 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 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.”
Este trabalho foi apoiado em parte por uma bolsa de pesquisa de fronteira de pesquisa e inovação do Reino Unido (UKRI) (EP/Y015584/1) e uma bolsa individual de pós-doutorado (Marie Skłodowska-Curie Fellowship Grant Scheme).
