Японские ученые раскрыли секрет ярких дисплеев: молекула-переключатель меняет правила игры

Японские ученые совершили прорыв в области фотоники, синтезировав органическую молекулу, которая сочетает в себе два взаимоисключающих свойства: эффективное излучение света для современных дисплеев и его сильное поглощение для глубокой визуализации биологических тканей. Это открытие открывает новые горизонты в создании более ярких и энергоэффективных дисплеев, а также в разработке новых методов медицинской диагностики.

Органические светодиоды (OLED) в современной реальности можно встретить почти везде — от освещения до экранов смартфонов и телевизоров. OLED-технологии продолжают развиваться, предлагая более яркие, энергоэффективные и гибкие решения для различных применений.

TADF: эффективное преобразование энергии

Самые перспективные OLED-материалы используют термоактивированную замедленную флуоресценцию (TADF) — явление, когда поглощенная энергия, запертая в не излучающем свет состоянии (триплетное состояние), переходит в излучающее состояние (синглетное) за счет тепла из окружающей среды. Проще говоря, материалы с TADF могут эффективно преобразовывать энергию, которая обычно теряется, в свет, что делает дисплеи ярче и энергоэффективнее.

Двухфотонное поглощение (2PA) применяется в безвредной и высокоточной диагностике методом медицинской визуализации. Особенность 2PA — возбуждение атомов в результате поглощения молекулой двух низкоэнергетических фотонов вместо одного высокоэнергетического. Это позволяет применять инфракрасный лазер, который проникает глубже в ткани тела, но не оказывает повреждающего действия и охватывает точечную область для исследования.

Противоречивые свойства: трудности синтеза

Как видно, свойства нужные — но взаимоисключающие. Для TADF требуется скрученная молекулярная структура, которая физически разделяет электронные орбитали, облегчая преобразование энергии. А 2PA — наоборот, предполагает более плоскую структуру со значительным перекрытием орбиталей для эффективного поглощения света, что создает сложности при разработке новых материалов.

Специалисты по фотонике из Университета Кюсю совместно с коллегами из Национального Тайбэйского технологического университета и Национального центрального университета применили оригинальную стратегию молекулярного дизайна. Они создали молекулу под названием CzTRZCN, которая действует как молекулярный переключатель, меняя свою структуру и свойства в зависимости от того, поглощает она свет или излучает.

CzTRZCN: молекулярный переключатель

Их подход заключался в соединении богатого электронами карбазола Cz с электронодефицитным триазиновым ядром TRZ. Добавление цианогрупп CN, которые сильно притягивают электроны, помогло точнее настроить их распределение по орбиталям. В результате при поглощении света CzTRZCN сохраняет достаточное перекрытие орбиталей для эффективного двухфотонного поглощения, а после возбуждения молекула меняет структуру, разделяя компоненты, что обеспечивает TADF.

Предсказанную в теории мощь двойной функциональности подтвердили в экспериментах, результаты которых изложены в журнале Advanced Materials. Это является важным шагом в подтверждении теоретических предсказаний и демонстрации практической значимости нового материала.

Результаты: высокая эффективность и яркость

В OLED-устройстве CzTRZCN достиг внешней квантовой эффективности 13,5%, установив новую планку для TADF-материалов на основе триазина. Кроме того, он продемонстрировал высокое сечение двухфотонного поглощения (показатель эффективности 2PA) и яркость, что указывает на его потенциал для медицинской визуализации и других применений.

"Предложенная молекула — это металлоорганическое соединение с низкой токсичностью для клеток и высокой биосовместимостью", — пояснил доцент Ёхей Читосе из Университета Кюсю. "Это делает ее идеальной для медицинских зондов, например, для точной диагностики рака и неврологических заболеваний с помощью флуоресцентной микроскопии с временным разрешением”.

В целом, это исследование стало важным шагом к созданию универсальных органических материалов, объединяющих фотоэлектронику и биовизуализацию. Это открывает новые возможности для развития медицинской диагностики.

Будущие исследования: расширение диапазона длин волн

Помимо медицины, предложенная стратегия молекулярного дизайна может быть применена и к другим многофункциональным материалам.

"В дальнейшем мы планируем расширить этот подход, чтобы охватить более широкий диапазон длин волн излучения”, — заключил Ёхей Читосе, указывая на дальнейшие перспективы развития.

Интересные факты:

• OLED-дисплеи обеспечивают более высокое качество изображения и более широкий угол обзора по сравнению с традиционными LCD-экранами.
• Двухфотонная микроскопия позволяет получать изображения клеток и тканей с высокой разрешающей способностью.
• Материалы с TADF обладают высокой энергоэффективностью, что делает их привлекательными для использования в дисплеях.
• Органические светодиоды могут быть изготовлены на гибких подложках, что позволяет создавать устройства различных форм и размеров.