Le catene di anelli contenenti carbonio fuso hanno proprietà optoelettroniche uniche che le rendono utili come semiconduttori. Queste catene, note come aceni, possono anche essere sintonizzate per emettere diversi colori di luce, il che le rende buoni candidati per l'uso nei diodi organici a emissione di luce.
Il colore della luce emessa da un acene è determinato dalla sua lunghezza, ma man mano che le molecole diventano più lunghe, diventano anche meno stabili, il che ne ha ostacolato l'uso diffuso nelle applicazioni che emettono luce.
I chimici del MIT hanno ora escogitato un modo per rendere queste molecole più stabili, consentendo loro di sintetizzare aceni di varia lunghezza. Usando il loro nuovo approccio, sono stati in grado di costruire molecole che emettono luce rossa, arancione, gialla, verde o blu, che potrebbe rendere più facile l'impiego degli aceni in una varietà di applicazioni.
"Questa classe di molecole, nonostante la loro utilità, presenta sfide in termini di profilo di reattività", afferma Robert Gilliard, professore associato di chimica Novartis al MIT e autore senior del nuovo studio. "Ciò che abbiamo cercato di affrontare in questo studio è stato innanzitutto il problema della stabilità e, in secondo luogo, volevamo creare composti in cui si potesse avere una gamma regolabile di emissione di luce."
Il ricercatore del MIT Chun-Lin Deng è l'autore principale dell'articolo, apparso su Nature Chemistry .
Gli aceni sono costituiti da molecole di benzene, anelli costituiti da carbonio e idrogeno, fuse insieme in modo lineare. Poiché sono ricchi di elettroni condivisibili e possono trasportare in modo efficiente una carica elettrica, sono stati utilizzati come semiconduttori e transistor a effetto di campo (transistor che utilizzano un campo elettrico per controllare il flusso di corrente in un semiconduttore).
Lavori recenti hanno dimostrato che gli aceni in cui alcuni atomi di carbonio vengono sostituiti, o "drogati", con boro e azoto hanno proprietà elettroniche ancora più utili. Tuttavia, come gli aceni tradizionali, queste molecole sono instabili se esposte all'aria o alla luce.
Spesso gli aceni devono essere sintetizzati all'interno di un contenitore sigillato chiamato vano portaoggetti per proteggerli dall'esposizione all'aria, che può portarli alla rottura. Più lunghi sono gli aceni, più sono suscettibili alle reazioni indesiderate avviate dall'ossigeno, dall'acqua o dalla luce.
Per cercare di rendere gli aceni più stabili, Gilliard ha deciso di utilizzare un ligando con cui il suo laboratorio aveva già lavorato, noto come carbodicarbene. In uno studio pubblicato lo scorso anno, hanno utilizzato questo ligando per stabilizzare gli ioni borafluorenio, composti organici che possono emettere diversi colori di luce in risposta ai cambiamenti di temperatura.
Per questo studio, Gilliard e i suoi coautori hanno sviluppato una nuova sintesi che ha permesso loro di aggiungere carbodicarbeni agli aceni anch’essi drogati con boro e azoto. Con l'aggiunta del nuovo ligando, gli aceni si sono caricati positivamente, il che ne ha migliorato la stabilità e ha inoltre conferito loro proprietà elettroniche uniche.
Utilizzando questo approccio, i ricercatori hanno creato aceni che producono colori diversi, a seconda della loro lunghezza e dei tipi di gruppi chimici legati al carbodicarbene. Fino ad ora, la maggior parte degli aceni drogati con boro e azoto che erano stati sintetizzati potevano emettere solo luce blu.
"L'emissione rossa è molto importante per applicazioni ad ampio raggio, comprese le applicazioni biologiche come l'imaging", afferma Gilliard. "Molti tessuti umani emettono luce blu, quindi è difficile utilizzare sonde fluorescenti blu per l'imaging, che è uno dei tanti motivi per cui le persone cercano emettitori rossi."
Un'altra caratteristica importante di questi aceni è che rimangono stabili sia nell'aria che nell'acqua. Le molecole cariche contenenti boro con un basso numero di coordinazione (il che significa che l'atomo di boro centrale ha pochi vicini) sono spesso altamente instabili in acqua, quindi la stabilità degli aceni in acqua è notevole e potrebbe renderne possibile l'utilizzo per l'imaging e altre applicazioni mediche .
"Uno dei motivi per cui siamo entusiasti della classe di composti che riportiamo in questo articolo è che possono essere sospesi nell'acqua. Ciò apre un'ampia gamma di possibilità", afferma Gilliard.
I ricercatori ora intendono provare a incorporare diversi tipi di carbodicarbeni per vedere se riescono a creare aceni aggiuntivi con stabilità ed efficienza quantistica ancora migliori (una misura della quantità di luce emessa dal materiale).
"Pensiamo che sarà possibile creare molti derivati diversi che non abbiamo ancora sintetizzato", afferma Gilliard. "Ci sono molte proprietà optoelettroniche che possono essere sviluppate e che dobbiamo ancora esplorare, e anche questo ci entusiasma."
Gilliard prevede inoltre di collaborare con Marc Baldo, professore di ingegneria elettrica del MIT, per provare a incorporare i nuovi aceni in un tipo di cella solare nota come cella solare a fissione singola. Questo tipo di cella solare può produrre due elettroni da un fotone, rendendo la cella molto più efficiente.
Questi tipi di composti potrebbero anche essere sviluppati per essere utilizzati come diodi emettitori di luce per schermi televisivi e di computer, afferma Gilliard. I diodi organici a emissione di luce sono più leggeri e più flessibili dei LED tradizionali, producono immagini più luminose e consumano meno energia.
"Siamo ancora nelle primissime fasi di sviluppo di applicazioni specifiche, che si tratti di semiconduttori organici, dispositivi a emissione di luce o celle solari basate sulla fissione singolettata, ma grazie alla loro stabilità, la fabbricazione del dispositivo dovrebbe essere molto più agevole del tipico per questo tipo di composti", afferma Gilliard.
"Combinando carbonio zerovalente reattivo e specie di boro cationico, questo lavoro creativo con un paradigma non tradizionale apre sicuramente un percorso promettente verso lo sviluppo di materiali che emettono luce altamente stabili nell'aria e nella foto e dispositivi in miniatura per la raccolta di energia", afferma Tiow-Gan Ong. , vicedirettore dell'Istituto di Chimica dell'Academia Sinica in Cina, che non è stato coinvolto nella ricerca.
Ulteriori informazioni: Chun-Lin Deng et al, Ioni carbodicarbene-azaboraacenio luminescenti stabili all'aria e fotostabili, Chimica naturale (2023). DOI:10.1038/s41557-023-01381-0
Informazioni sul giornale: Chimica della Natura
Fornito dal Massachusetts Institute of Technology
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca, l'innovazione e l'insegnamento del MIT.
