Sebbene i nanocristalli offrano possibilità di regolazione del colore e siano utilizzati in varie tecnologie, per ottenere colori diversi è necessario utilizzare nanocristalli diversi per ciascun colore e il passaggio dinamico tra i colori non è stato possibile.
Un team di ricercatori dell’Istituto di Chimica e del Centro per le Nanoscienze e le Nanotecnologie dell’Università Ebraica di Gerusalemme, tra cui lo studente laureato Yonatan Ossia con altri sette membri, e guidato dal Prof. Uri Banin, ha ora trovato una soluzione innovativa per questo problema.
Sviluppando un sistema di una "molecola artificiale" composta da due nanocristalli semiconduttori accoppiati che emettono luce in due colori diversi, è stato dimostrato un cambio di colore rapido e istantaneo. L'articolo intitolato "Cambio di colore indotto dal campo elettrico nelle molecole di punti quantici colloidali a temperatura ambiente" è stato pubblicato sulla rivista Nature Materials .
La luce colorata e la sua sintonizzabilità sono la base di molte tecnologie moderne essenziali:dall'illuminazione, ai display, alle reti di comunicazione veloci in fibra ottica e altro ancora. Portando i semiconduttori che emettono colore su scala nanometrica (nanoun miliardesimo di metro, centomila volte più piccoli di un capello umano), entra in gioco un effetto chiamato confinamento quantistico:cambiando la dimensione del nanocristallo si modifica il colore della luce emessa . In questo modo si possono ottenere sorgenti luminose brillanti che coprono l'intero spettro visibile.
Grazie all'esclusiva possibilità di regolazione del colore di tali nanocristalli e alla loro facile fabbricazione e manipolazione tramite chimica umida, sono già ampiamente utilizzati nei display commerciali di alta qualità, conferendo loro un'eccellente qualità del colore insieme a significative caratteristiche di risparmio energetico.
Tuttavia, fino ad oggi, ottenere colori diversi (come quelli necessari per i diversi pixel RGB) richiedeva l'uso di nanocristalli diversi per ciascun colore specifico e il passaggio dinamico tra i diversi colori non era possibile.
Sebbene la regolazione del colore di singoli nanocristalli colloidali che si comportano come "atomi artificiali" sia stata precedentemente studiata e implementata in prototipi di dispositivi optoelettronici, cambiare attivamente i colori è stato impegnativo a causa della diminuzione della luminosità che accompagna intrinsecamente l'effetto, che ha prodotto solo un leggero spostamento del colore .
Il gruppo di ricerca ha superato questa limitazione creando una nuova molecola con due centri di emissione, dove un campo elettrico può sintonizzare l'emissione relativa da ciascun centro, cambiando il colore, ma senza perdere luminosità. La molecola artificiale può essere realizzata in modo tale che uno dei suoi nanocristalli costituenti sia sintonizzato per emettere luce "verde", mentre l'altro luce "rossa". L'emissione di questa nuova molecola artificiale a doppia emissione di colore è sensibile alla tensione esterna che induce un campo elettrico:una polarità del campo induce l'emissione di luce dal centro "rosso" e, commutando il campo sull'altra polarità, l'emissione del colore viene commutata istantaneamente in "verde" e viceversa.
Questo fenomeno di cambiamento di colore è reversibile ed immediato, poiché non comporta alcun movimento strutturale della molecola. Ciò consente di ottenere ciascuno dei due colori, o qualsiasi combinazione di essi, semplicemente applicando l'apposita tensione al dispositivo.
Questa capacità di controllare con precisione la regolazione del colore nei dispositivi optoelettronici preservando l'intensità, apre nuove possibilità in vari campi tra cui display, illuminazione e dispositivi optoelettronici su scala nanometrica con colori regolabili e anche come strumento per il rilevamento di campi sensibili per applicazioni biologiche e neuroscienze a seguire l'attività cerebrale. Inoltre, consente di regolare attivamente i colori di emissione nelle sorgenti di singoli fotoni che sono importanti per le future tecnologie di comunicazione quantistica.
Il Prof. Uri Banin dell'Università Ebraica di Gerusalemme ha spiegato:"La nostra ricerca rappresenta un grande passo avanti nei nanomateriali per l'optoelettronica. Si tratta di un passo importante nella nostra esposizione dell'idea di 'chimica dei nanocristalli' lanciata solo pochi anni fa nella nostra ricerca gruppo, in cui i nanocristalli costituiscono elementi costitutivi di molecole artificiali con nuove entusiasmanti funzionalità. Essere in grado di cambiare colore in modo così rapido ed efficiente su scala nanometrica come abbiamo ottenuto potrebbe rivoluzionare i display avanzati e creare sorgenti di fotoni singoli commutabili a colori. "
Utilizzando tali molecole di punti quantici con due centri di emissione, è possibile generare diversi colori specifici di luce utilizzando la stessa nanostruttura.
Questa svolta apre le porte allo sviluppo di tecnologie sensibili per rilevare e misurare i campi elettrici. Consente inoltre nuovi design di display in cui ogni pixel può essere controllato individualmente per produrre colori diversi, semplificando il design del display RGB standard con una base di pixel più piccola, con il potenziale di aumentare la risoluzione e il risparmio energetico dei futuri display commerciali.
Questo progresso nella commutazione dei colori indotta dal campo elettrico ha un immenso potenziale per trasformare la personalizzazione dei dispositivi e il rilevamento del campo, aprendo la strada a entusiasmanti innovazioni future.
Ulteriori informazioni: Commutazione del colore indotta dal campo elettrico nelle molecole colloidali di punti quantici a temperatura ambiente, Materiali naturali (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01606-0
Informazioni sul giornale: Materiali naturali
Fornito dall'Università Ebraica di Gerusalemme
