Gli scienziati hanno scoperto un gruppo di materiali che potrebbero aprire la strada a una nuova generazione di illuminazione ad alta efficienza, risolvere un dilemma che ha inibito per decenni le prestazioni della tecnologia dei display. Lo sviluppo di concetti di risparmio energetico nelle applicazioni di visualizzazione e illuminazione è uno dei principali obiettivi di ricerca, poiché un quinto dell'elettricità mondiale viene utilizzata per generare luce.
Scrivendo in Scienza questa settimana, Il gruppo, dell'Università di Cambridge, l'Università dell'East Anglia e l'Università della Finlandia orientale, descrive come ha sviluppato un nuovo tipo di materiale che utilizza molecole rotanti per emettere luce più velocemente di quanto sia mai stato raggiunto prima. Potrebbe portare a televisori, display per smartphone e luci della stanza che sono più efficienti dal punto di vista energetico, più luminosi e duraturi rispetto a quelli attualmente in commercio.
Autore corrispondente, Dottor Dan Credgington, del Cavendish Laboratory dell'Università di Cambridge, afferma:"È incredibile che la primissima dimostrazione di questo nuovo tipo di materiale superi già le prestazioni di tecnologie che hanno impiegato decenni per essere sviluppate. Se l'effetto che abbiamo scoperto può essere sfruttato attraverso lo spettro, potrebbe cambiare il modo in cui generiamo la luce."
I materiali molecolari sono la forza trainante dei moderni diodi organici a emissione di luce (OLED). Inventato negli anni '80, questi dispositivi emettono luce quando l'elettricità viene applicata alle molecole organiche (a base di carbonio) in essi contenute. L'illuminazione OLED è ora ampiamente utilizzata nei televisori, computer e telefoni cellulari. Tuttavia deve superare un problema fondamentale che ha un'efficienza limitata quando si tratta di convertire l'energia elettrica in luce.
Il passaggio di una corrente elettrica attraverso queste molecole le mette in uno stato eccitato, ma solo il 25% di questi sono stati "luminosi" che possono emettere luce rapidamente. Il restante 75% sono stati "oscuri" che di solito sprecano la loro energia sotto forma di calore limitando l'efficienza del dispositivo OLED. Questa modalità di funzionamento produce più calore che luce proprio come in una vecchia lampadina a filamento. La ragione sottostante è una proprietà quantistica chiamata "spin" e gli stati oscuri hanno il tipo sbagliato.
Un approccio per affrontare questo problema consiste nell'utilizzare elementi rari, come l'iridio, che aiutano gli stati oscuri ad emettere luce permettendo loro di cambiare la loro rotazione. Il problema è che questo processo richiede troppo tempo, quindi l'energia legata negli stati bui può accumularsi a livelli dannosi e rendere instabile l'OLED. Questo effetto è un tale problema per i materiali che emettono blu (la luce blu ha la più alta energia di tutti i colori) che, in pratica, l'approccio non può essere utilizzato.
I chimici dell'Università dell'East Anglia hanno ora sviluppato un nuovo tipo di materiale in cui due diverse molecole organiche sono unite insieme da un atomo di rame o oro. La struttura risultante assomiglia un po' a un'elica. I composti, che può essere realizzato con una semplice procedura one-pot da materiali prontamente disponibili, sono risultati sorprendentemente luminescenti. Ruotando la loro "elica", gli stati oscuri formatisi su questi materiali si contorcono, che consente loro di cambiare rapidamente il loro giro. Il processo aumenta significativamente la velocità con cui l'energia elettrica viene convertita in luce raggiungendo un'efficienza di quasi il 100% e prevenendo l'accumulo dannoso di stati di oscurità.
Il dottor Dawei Di e il dottor Le Yang, di Cambridge, erano co-autori, insieme al dottor Alexander Romanov, dall'UEA. Lui dice:
"La nostra scoperta che semplici composti di rame e oro possono essere utilizzati come materiali luminosi ed efficienti per gli OLED dimostra come la chimica possa portare benefici tangibili alla società. Tutti i precedenti tentativi di costruire OLED basati su questi metalli hanno portato a un successo mediocre. Il problema è che quei materiali richiedevano le sofisticate molecole organiche per essere legate al rame ma non soddisfacevano gli standard industriali. I nostri risultati affrontano una sfida di ricerca e sviluppo in corso che può portare prodotti OLED ad alta tecnologia a prezzi accessibili in ogni casa. "
La modellazione computazionale ha svolto un ruolo importante nella scoperta di questo nuovo modo di sfruttare i movimenti di torsione intramolecolari per la conversione dell'energia.
Professor Mikko Linnolahti, dell'Università della Finlandia orientale, dove questo è stato fatto, Commenti:
"Questo lavoro costituisce il caso di studio su come possiamo spiegare i principi alla base del funzionamento di questi nuovi materiali e la loro applicazione in OLED".
Il prossimo passo è progettare nuove molecole che sfruttino appieno questo meccanismo, con l'obiettivo finale di eliminare del tutto la necessità di elementi rari. Ciò risolverebbe il problema più antico del settore:come realizzare gli OLED senza dover scendere a compromessi tra efficienza e stabilità.
Co-autore principale, Dottor Dawei Di, del Laboratorio Cavendish, dice:
"Il nostro lavoro mostra che lo spin dello stato eccitato e il movimento molecolare possono lavorare insieme per avere un forte impatto sulle prestazioni degli OLED. Questa è un'eccellente dimostrazione di come la meccanica quantistica, un importante ramo della scienza fondamentale, può avere conseguenze dirette per un'applicazione commerciale che ha un enorme mercato globale."
