Una pellicola circolare di materiali organici luminescenti viene mostrata in una debole luce ambientale (in alto) e al buio dopo l'esposizione alla luce ultravioletta (in basso). La luce ultravioletta è stata utilizzata per accumulare rapidamente energia e produrre un forte bagliore, ma l'effetto bagliore al buio può essere ottenuto anche mediante l'esposizione con una normale luce LED bianca. Il film impiega una miscela di molecole donatrici e accettore per ottenere questo effetto per la prima volta con materiali organici. Il processo inizia quando un accettore assorbe energia luminosa incidente, portando al trasferimento di una carica positiva, o buco, dall'accettore di elettroni a un donatore di elettroni (1). La carica negativa aggiuntiva, o elettrone, sull'accettore si separa quindi dal foro saltando tra gli altri accettori (2). L'energia è ora immagazzinata attraverso un elettrone e una lacuna spazialmente separati (3). L'elettrone alla fine torna indietro verso il foro (4), e la luce viene emessa quando i due si uniscono (5). Alcune cariche si ricombinano rapidamente, ma molti possono rimanere immagazzinati nello stato di carica separata per lungo tempo (3), che porta all'emissione luminosa molto tempo dopo che la luce di eccitazione è stata spenta. Credito:Ryota Kabe e William J. Potscavage Jr.
Le vernici fosforescenti che hanno migliorato la flessibilità e la trasparenza, ma sono anche più economiche e più facili da produrre sono all'orizzonte grazie a una nuova ricerca dell'Università di Kyushu. In una dimostrazione innovativa, l'emissione di luce della durata di più di un'ora è stata ottenuta da materiali organici, che sono anche promettenti per sbloccare nuove applicazioni come nel bio-imaging.
Sulla base di un processo chiamato luminescenza persistente, I materiali fluorescenti funzionano rilasciando lentamente l'energia assorbita dalla luce ambientale. Utilizzato in orologi e segnali di emergenza, i materiali fluorescenti commerciali si basano su composti inorganici e includono metalli rari come europio e disprosio. Però, questi materiali sono costosi, richiedono alte temperature per la produzione, e disperdono la luce, anziché essere trasparenti, quando vengono macinati in polveri per vernici.
I materiali organici a base di carbonio, simili a quelli utilizzati nelle plastiche e nei pigmenti, possono superare molti di questi svantaggi. Possono essere ottimi emettitori e sono già ampiamente utilizzati nei diodi organici a emissione di luce (OLED). Ma ottenere emissioni di lunga durata è stato difficile, e l'emissione più lunga di sostanze organiche sotto illuminazione interna a temperatura ambiente è stata, fino ad ora, solo pochi minuti.
I ricercatori del Center for Organic Photonics and Electronics Research (OPERA) dell'Università di Kyushu hanno ora superato questo limite utilizzando semplici miscele di due molecole appropriate. Nei film formati fondendo insieme molecole che donano elettroni e quelle che accettano elettroni, è stata dimostrata per la prima volta un'emissione di durata superiore a un'ora da materiali organici senza la necessità di fonti di luce intense o basse temperature.
"Molti materiali organici possono utilizzare l'energia assorbita dalla luce per emettere luce di un colore diverso, ma questa emissione è generalmente veloce perché l'energia è immagazzinata direttamente sulla molecola che produce l'emissione, "dice Ryota Kabe, autore principale del documento che riporta queste nuove scoperte.
"Al contrario, le nostre miscele immagazzinano l'energia in cariche elettriche separate su una distanza maggiore. Questo passaggio aggiuntivo ci consente di rallentare notevolmente il rilascio dell'energia sotto forma di luce, ottenendo così l'effetto bagliore al buio."
Nelle miscele, assorbimento della luce da parte di una molecola che accetta gli elettroni, o accettore, dà alla molecola energia extra che può usare per rimuovere un elettrone da una molecola donatrice di elettroni, o donatore. Questo trasferimento di un elettrone è effettivamente lo stesso di una carica positiva che viene trasferita dall'accettore al donatore.
L'elettrone in più sull'accettore può quindi saltare su altri accettori e allontanarsi dal donatore caricato positivamente, con conseguente separazione degli oneri. Le cariche separate tornano gradualmente insieme, alcune lentamente e altre più rapidamente, e rilasciano la loro energia sotto forma di luce nell'arco di quasi un'ora.
Le miscele e i processi sono simili a quelli che si trovano nelle celle solari organiche e negli OLED. Dopo aver accumulato cariche separate come in una cella solare, le accuse non hanno scampo, quindi alla fine tornano insieme per emettere luce come un OLED. La differenza chiave nelle miscele di nuova concezione è che le cariche possono esistere in uno stato separato per periodi di tempo molto lunghi.
"Con gli organici, abbiamo una grande opportunità per ridurre il costo dei materiali fluorescenti, quindi il primo posto in cui ci aspettiamo di vedere un impatto sono le applicazioni su grandi aree, come corridoi luminosi o strade per una maggiore sicurezza, "dice Chihaya Adachi, Direttore dell'OPERA.
Chihaya Adachi (a sinistra) e Ryota Kabe (a destra) del Center for Organic Photonics and Electronics Research (OPERA) dell'Università di Kyushu hanno sviluppato i primi materiali fluorescenti al mondo basati su molecole organiche. La luce dei materiali viene prodotta quando un elettrone si trasferisce da una molecola accettore a una molecola donatrice, che è rappresentato dal diagramma formato dalle loro mani. Credito:Centro per la fotonica organica e la ricerca elettronica
"Dopo di che, possiamo iniziare a pensare di sfruttare la versatilità dei materiali organici per sviluppare tessuti e finestre glow-in-the-dark, o anche sonde biocompatibili per l'imaging medico."
La prima sfida da affrontare sulla strada dell'uso pratico è la sensibilità del processo all'ossigeno e all'acqua. Le barriere protettive sono già utilizzate nell'elettronica organica e nei materiali fluorescenti inorganici, quindi i ricercatori sono fiduciosi che si possa trovare una soluzione. Simultaneamente, stanno anche esaminando nuove strutture molecolari per aumentare la durata e l'efficienza dell'emissione, nonché per cambiare il colore.
Con gli sforzi per risolvere questi problemi rimanenti in corso, una nuova ondata di materiali fosforescenti a base di sostanze organiche sembra pronta a rinvigorire l'area ed espandere le loro applicazioni.
