Congelar elétrons no lugar aumenta eficiência das tecnologias de emissão de luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 21/05/2024

Ilustração artística de uma propriedade de emissão de luz das moléculas orgânicas modulada pela dança quântica dos átomos.
[Imagem: Pratyush Ghosh/University of Cambridge]

Vibrações indesejadas

Cientistas descobriram uma "nova regra de projeto molecular" que poderá iniciar um novo capítulo no projeto de dispositivos emissores de luz como os OLEDs (diodos emissores de luz orgânicos), sensores infravermelhos e biomarcadores fluorescentes usados no estudo de células e para marcar células cancerígenas.

A descoberta envolve princípios de projeto cruciais que podem interromper o acoplamento dos elétrons às vibrações dos átomos, interrompendo sua dança frenética, o que permitirá que as moléculas alcancem um desempenho incomparável.

"Todas as moléculas orgânicas, como as encontradas nas células vivas ou na tela do seu celular, consistem em átomos de carbono conectados uns aos outros por meio de uma ligação química." explica Pratyush Ghosh, da Universidade de Cambridge, no Reino Unido.

"Essas ligações químicas são como pequenas molas vibratórias, que geralmente são sentidas pelos elétrons, prejudicando o desempenho de moléculas e dispositivos. No entanto, descobrimos agora que determinadas moléculas podem evitar esses efeitos prejudiciais quando restringimos a estrutura geométrica e eletrônica da molécula para algumas configurações especiais," detalhou ele.

Para demonstrar esses princípios de projeto molecular, a equipe projetou uma série de moléculas que emitem luz na frequência do infravermelho próximo (680-800 nm), usadas em tecnologias que vão dos controles remotos de televisores aos equipamentos de visão noturna e à espectroscopia para análise de materiais.

Nessas moléculas criadas segundo as novas regras, as perdas de energia resultantes de vibrações - pense nos elétrons como se eles estivessem dançando ao som dos seus átomos - foram mais de 100 vezes menores do que nas moléculas orgânicas originais.

"Essas moléculas também têm uma ampla gama de aplicações hoje. A tarefa agora é traduzir nossa descoberta para criar tecnologias melhores, desde telas aprimoradas até moléculas melhores para imagens biomédicas e detecção de doenças," disse o professor Akshay Rao.

Isolamento do acoplamento vibracional para os éxcitons de uma molécula emissora de luz.
[Imagem: Pratyush Ghosh et al. - 10.1038/s41586-024-07246-x]

Congelando os elétrons

Desde a descoberta da mecânica quântica, há mais de cem anos, sabe-se que os elétrons nas moléculas podem ser acoplados ao movimento dos átomos que as constituem. Comumente conhecidas como "vibrações moleculares", esse movimento dos átomos funciona como pequenas molas, passando por movimentos periódicos.

Para os elétrons nessas moléculas, isso significa que eles também estão em constante movimento, dançando ao ritmo dos seus átomos, em escalas de tempo de um milionésimo de bilionésimo de segundo.

O problema é que toda essa dança leva a uma perda de energia e limita o desempenho das moléculas orgânicas em inúmeras aplicações tecnológicas.

A equipe descobriu como evitar isso de dois modos. No primeiro, eles descobriram um meio de "desacoplar" os elétrons explorando modos de alta frequência que atuam sobre quasipartículas conhecidas como éxcitons, responsáveis pela transmissão das vibrações intramoleculares (entre outras coisas). O segundo envolve selecionar moléculas de modo que os orbitais moleculares participantes tenham um caráter de não-ligação imposto pela própria simetria da molécula, sendo assim desacoplados dos modos vibracionais de alta frequência.

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