Pesquisadores da Universidade de Kyushu desenvolveram uma molécula orgânica capaz de absorver e emitir fótons com eficiência. A descoberta pode revolucionar a eletrônica de consumo e o diagnóstico biomédico simultaneamente. Isso pode levar a OLEDs brilhantes e sensores vestíveis que informam mais sobre sua saúde do que os scanners médicos atuais.
Fonte da imagem: Universidade de Kyushu
Uma nova molécula orgânica atua como um “interruptor”, alterando sua estrutura para emitir luz em diodos orgânicos emissores de luz (OLEDs) ou absorver luz para obter imagens de tecidos profundos do corpo. É a primeira vez que essas propriedades “contraditórias” são incorporadas em uma única molécula orgânica, o que pode encontrar aplicações em OLEDs de próxima geração e equipamentos médicos de imagem profunda.
Antes disso, cada uma das direções utilizava materiais com propriedades únicas: os OLEDs exigiam compostos para emitir fótons com máxima eficiência, e os scanners médicos precisavam de substâncias que absorvessem luz sem danificar as células vivas. Como os cientistas relataram na revista Advanced Materials, o material que descobriram proporciona emissão de luz eficiente para telas de última geração e forte absorção de luz para visualização de alta precisão nas camadas profundas do corpo.
A descoberta pode abrir caminho para dispositivos que combinam lazer e saúde, usando uma única molécula para criar telas mais brilhantes e fornecer diagnósticos mais precisos e seguros.
Em seu trabalho, os cientistas se voltaram para um fenômeno chamado fluorescência retardada ativada termicamente (TADF). Vale ressaltar que, em condições normais, um fóton é emitido no material durante a recombinação de um buraco e um elétron, mas não diretamente. A recombinação leva ao nascimento de quasipartículas – singletes e tripletes. Os fótons emitem apenas singletes, e os tripletes, dos quais três vezes mais são formados, apenas aquecem o material, o que reduz a eficiência e o brilho do OLED. O fenômeno TADF leva à transformação de tripletes em singletes e à emissão de fótons adicionais. Um forte efeito TADF é o que todos os pesquisadores buscam. É um TADF forte que é implementado no novo composto, mas não apenas nele.
Para a varredura segura de tecidos humanos, são utilizados materiais capazes de absorver fótons de baixa energia na faixa do infravermelho próximo. Não queremos fritar o paciente, não é mesmo? Para isso, é recomendável utilizar substâncias com a chamada absorção de dois fótons (2PA). Devido à baixa dispersão, essa absorção, aliada a uma faixa segura, proporciona uma imagem nítida no foco do feixe de varredura.
Combinar TADF forte e 2PA alto em uma única molécula tem sido um desafio há muito tempo. O TADF funciona melhor em estruturas moleculares torcidas com orbitais eletrônicos compartilhados. 2PA normalmente requer estruturas planas com alta sobreposição de orbitais. Esses requisitos frequentemente entram em conflito entre si, portanto, moléculas com dupla função são raras.
Para abordar essa questão, uma equipe da Universidade de Kyushu desenvolveu uma molécula chamada CzTRZCN. Ela combina uma porção carbazol rica em elétrons com um núcleo triazínico deficiente em elétrons. Os grupos ciano no composto ajustam o arranjo dos orbitais atraindo elétrons. Essa arquitetura permite que a molécula atue como um “interruptor”. Durante a absorção, o CzTRZCN mantém sobreposição orbital suficiente para um 2PA eficiente. Uma vez excitada, a molécula muda de estrutura, separando os orbitais, permitindo que o efeito TADF seja explorado.
As propriedades extraordinárias da molécula foram confirmadas por cálculos teóricos e experimentais. Em um dispositivo OLED, o CzTRZCN atingiu uma eficiência quântica externa de 13,5%, um recorde para materiais TADF à base de triazina. Também demonstrou uma alta seção transversal 2PA e alto brilho, tornando-o promissor para imagens médicas. Os cientistas enfatizam que a ausência de metais na molécula e sua baixa toxicidade a tornam altamente biocompatível e ideal para sondas médicas.
O estudo descreve uma estratégia para criar moléculas com diferentes arranjos de orbitais para absorver e emitir luz. Essa abordagem pode levar a novos materiais multifuncionais que podem ser usados em mais do que apenas aplicações médicas e de exibição. Por exemplo, os pesquisadores planejam aumentar o alcance espectral — usando mais comprimentos de onda de radiação — e colaborar com engenheiros biomédicos e de dispositivos. Aplicações potenciais incluem imagens in vivo, sensores vestíveis e telas OLED de última geração.