La rinnovata ricerca di una molecola che è stata originariamente sintetizzata con l'obiettivo di creare un pigmento unico che assorbe la luce ha portato alla creazione di una nuova strategia di progettazione per molecole efficienti a emissione di luce con applicazioni in display e illuminazione di nuova generazione.

I ricercatori del Center for Organic Photonics and Electronics Research (OPERA) dell'Università di Kyushu hanno dimostrato che una molecola che modifica leggermente la sua struttura chimica prima e dopo l'emissione può raggiungere un'elevata efficienza nei diodi organici a emissione di luce (OLED).

Oltre a produrre colori vivaci, Gli OLED possono essere fabbricati in qualsiasi cosa, da minuscoli pixel a pannelli grandi e flessibili, rendendoli estremamente attraenti per display e illuminazione.

In un OLED, cariche elettriche iniettate in film sottili di molecole organiche si uniscono per formare pacchetti di energia - chiamati eccitoni - che possono produrre emissione di luce.

L'obiettivo è convertire tutti gli eccitoni in luce, ma tre quarti degli eccitoni creati sono triplette, che non producono luce nei materiali convenzionali, mentre il restante quarto sono canottiere, che emettono attraverso un processo chiamato fluorescenza.

Inclusione di un metallo raro, come iridio o platino, in una molecola può consentire una rapida emissione dalle triplette attraverso la fosforescenza, che è attualmente la tecnologia dominante per gli OLED ad alta efficienza.

Un meccanismo alternativo è l'utilizzo del calore nell'ambiente per dare ai gemelli una spinta energetica sufficiente a convertirli in singoletti emettitori di luce.

Questo processo, nota come fluorescenza ritardata attivata termicamente (TADF), si verifica facilmente a temperatura ambiente in molecole opportunamente progettate e ha il vantaggio aggiuntivo di evitare i costi e la ridotta libertà di progettazione molecolare associati ai metalli rari.

Però, la maggior parte delle molecole TADF si basa ancora sullo stesso approccio progettuale di base.

"Ogni mese vengono segnalate molte nuove molecole TADF, ma continuiamo a vedere lo stesso design sottostante con gruppi donatori di elettroni collegati a gruppi che accettano elettroni, "dice Masashi Mamada, ricercatore capo dello studio riportando i nuovi risultati.

"Trovare progetti molecolari fondamentalmente diversi che mostrino anche un TADF efficiente è la chiave per sbloccare nuove proprietà, e in questo caso, ne abbiamo trovata una guardando al passato con una nuova prospettiva".

Attualmente, le combinazioni di unità donatrici e riceventi sono utilizzate principalmente perché forniscono un modo relativamente semplice per spingere gli elettroni in una molecola e ottenere le condizioni necessarie per TADF.

Sebbene il metodo sia efficace e sia possibile un'enorme varietà di combinazioni, nuove strategie sono ancora desiderate nella ricerca di emettitori perfetti o unici.

Il meccanismo esplorato dai ricercatori questa volta prevede il trasferimento reversibile di un atomo di idrogeno - tecnicamente, solo il suo nucleo positivo - da un atomo nella molecola emittente a un altro nella stessa molecola per creare una disposizione favorevole al TADF.

Questo trasferimento avviene spontaneamente quando la molecola è eccitata con energia ottica o elettrica ed è noto come trasferimento di protoni intramolecolari allo stato eccitato (ESIPT).

Questo processo ESIPT è così importante nelle molecole studiate che i calcoli della chimica quantistica dei ricercatori indicano che il TADF non è possibile prima del trasferimento dell'idrogeno.

Dopo l'eccitazione, l'idrogeno si trasferisce rapidamente a un diverso atomo nella molecola, portando a una struttura molecolare capace di TADF.

L'idrogeno ritorna al suo atomo iniziale dopo che la molecola emette luce, e la molecola è quindi pronta per ripetere il processo.

Sebbene TADF da una molecola ESIPT sia stato segnalato in precedenza, questa è la prima dimostrazione di TADF altamente efficiente osservata all'interno e all'esterno di un dispositivo.

Questa strategia di progettazione molto diversa apre le porte al raggiungimento di TADF con una varietà di nuove strutture chimiche che non sarebbero state considerate sulla base delle strategie precedenti.

interessante, la molecola usata dai ricercatori è stata molto probabilmente una delusione quando è stata sintetizzata per la prima volta quasi 20 anni fa da chimici che speravano di creare un nuovo pigmento solo per scoprire che la molecola è incolore.

"Le molecole organiche non smettono mai di stupirmi, "dice il professor Chihaya Adachi, Direttore dell'OPERA. "Esistono molte strade con diversi vantaggi e svantaggi per raggiungere lo stesso obiettivo, e abbiamo ancora solo scalfito la superficie di ciò che è possibile."

I vantaggi di questa strategia di progettazione stanno appena iniziando ad essere esplorati, ma un'area particolarmente promettente è quella relativa alla stabilità.

Molecole simili a quella studiata sono note per essere altamente resistenti alla degradazione, quindi i ricercatori sperano che questo tipo di molecole possa aiutare a migliorare la durata degli OLED.

Per vedere se questo è il caso, le prove sono ora in corso.

Mentre solo il tempo dirà fino a che punto andrà questa particolare strategia, le opzioni in continua crescita per gli emettitori OLED fanno sicuramente ben sperare per il loro futuro.