I diodi organici a emissione di luce (OLED) sono utilizzati negli smartphone e nei televisori per facilitare la visualizzazione dei colori ad alto contrasto. I polimeri coniugati sono anche spesso impiegati come semiconduttori organici in tali diodi. I ricercatori dell'Università di Bayreuth hanno scoperto come la struttura spaziale di questi polimeri può essere utilizzata per controllare i colori degli OLED e contribuire ad aumentare la luminosità dei monitor. Ora hanno presentato questo meccanismo precedentemente sconosciuto sulla rivista scientifica Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Polimeri con una spina dorsale:le strutture spaziali determinano il colore della luce

I polimeri che sono adatti per l'uso nei diodi organici a emissione di luce svolgono un ruolo centrale nei nuovi risultati della ricerca. Grazie alla catena formata collegando i mattoni molecolari, possiedono una spina dorsale. Se i polimeri vengono poi esposti a un raggio laser, assorbono la luce e la immagazzinano come energia di eccitazione. Questa energia si diffonde lungo la spina dorsale. Poco dopo, viene rilasciato per emissione di luce.

Finora si era ipotizzato che il colore della luce emessa dipendesse da quanto l'energia di eccitazione si diffonde lungo i polimeri:presumibilmente, più i polimeri erano piegati, minore è la distanza su cui si diffonde l'energia. Però, gli scienziati di Bayreuth hanno ora confutato questa ipotesi. I polimeri che hanno studiato hanno spine dorsali chimicamente identiche e piegate a gradi diversi, ma l'energia di eccitazione si diffonde sempre sulla stessa distanza. I polimeri piegati emettono luce verde o blu, mentre i polimeri allungati irradiano luce gialla o rossa. "Quando questi polimeri verranno utilizzati nei diodi organici a emissione di luce, le loro varie strutture spaziali possono essere utilizzate per controllare con precisione il colore della luce emessa dagli OLED, " ha spiegato il fisico Dominic Raithel (M.Sc.), autore principale dell'articolo che ora è stato pubblicato su PNAS .

I ricercatori di Bayreuth hanno anche scoperto che i polimeri allungati possiedono un'impalcatura formata dalle sue catene laterali, che stabilizza la struttura allungata. "Ciò si traduce in un vantaggio speciale per i diodi emettitori di luce:quando i polimeri allungati sono stratificati uno sopra l'altro, le impalcature forniscono stabilità. L'emissione ottica non è in tal modo indebolita", ha detto Raitel, che ha recentemente completato la sua tesi nel gruppo di formazione alla ricerca finanziato dal DFG dell'Università di Bayreuth "Fotofisica dei sistemi multicromoforici sintetici e biologici". In tale contesto, i materiali organici naturali e sintetici sono studiati in stretta collaborazione interdisciplinare. Per esempio, fisici sperimentali Prof. Dr. Anna Köhler e Prof. Dr. Jürgen Köhler insieme al Prof. Dr. Mukundan Thelakkat, esperto di polimeri funzionali, sono stati coinvolti nei nuovi esperimenti.

Un'interazione transatlantica di teoria ed esperimento

Le indagini sperimentali comparate sui polimeri hanno fatto uso di diversi tipi di metodi spettroscopici. "Un fattore decisivo è stata la spettroscopia a singola molecola a temperature molto basse, per il quale Bayreuth ci ha fornito la sua infrastruttura ad alte prestazioni. Usando questo metodo, siamo stati in grado di determinare il colore della luce emessa e infine l'estensione dell'energia di eccitazione sui polimeri a catena, " ha spiegato il dottor Richard Hildner, che ha coordinato la ricerca presso l'Università di Bayreuth.

Gli scienziati di Bayreuth hanno lavorato a stretto contatto con un gruppo di ricerca della Rice University di Houston, Texas. La Dott.ssa Lena Simine e il Prof. Dott. Peter J. Rossky hanno effettuato calcoli approfonditi sull'impatto delle strutture polimeriche sul colore della luce emessa. Il collegamento di metodi sperimentali e teorici ha portato a intuizioni sulle strutture spaziali delle singole catene polimeriche che sarebbero state impossibili utilizzando le tecniche di imaging tradizionali.