Os cientistas descobriram um grupo de materiais que pode abrir caminho para uma nova geração de iluminação de alta eficiência, resolvendo um dilema que inibiu o desempenho da tecnologia de exibição por décadas. O desenvolvimento de conceitos de economia de energia em aplicações de display e iluminação é o principal foco de pesquisa, já que um quinto da eletricidade do mundo é usado para gerar luz.

Escrevendo em Ciência esta semana, O time, da Universidade de Cambridge, a University of East Anglia e a University of Eastern Finland, descreve como desenvolveu um novo tipo de material que usa moléculas giratórias para emitir luz mais rápido do que nunca. Pode levar a televisões, telas de smartphones e luzes da sala que são mais eficientes em termos de energia, mais brilhante e mais duradouro do que aqueles atualmente no mercado.

Autor correspondente, Dr. Dan Credgington, do Laboratório Cavendish da Universidade de Cambridge, diz:"É incrível que a primeira demonstração deste novo tipo de material já supere o desempenho de tecnologias que levaram décadas para se desenvolver. Se o efeito que descobrimos puder ser aproveitado em todo o espectro, pode mudar a maneira como geramos luz. "

Os materiais moleculares são a força motriz por trás dos modernos diodos emissores de luz orgânicos (OLEDs). Inventado na década de 1980, esses dispositivos emitem luz quando eletricidade é aplicada às moléculas orgânicas (baseadas em carbono) neles. A iluminação OLED agora é amplamente usada em televisores, computadores e telefones celulares. No entanto, ele tem que superar uma questão fundamental que tem eficiência limitada quando se trata de converter energia elétrica em luz.

Passar uma corrente elétrica por essas moléculas as coloca em um estado de excitação, mas apenas 25% deles são estados 'brilhantes' que podem emitir luz rapidamente. Os 75% restantes são estados 'escuros' que geralmente desperdiçam sua energia na forma de calor, limitando a eficiência do dispositivo OLED. Este modo de operação produz mais calor do que luz, como em uma lâmpada de filamento antiquada. A razão subjacente é uma propriedade quântica chamada 'spin' e os estados escuros têm o tipo errado.

Uma abordagem para resolver este problema é usar elementos raros, como irídio, que ajudam os estados escuros a emitir luz, permitindo que eles mudem seu spin. O problema é que esse processo demora muito, portanto, a energia acumulada nos estados escuros pode atingir níveis prejudiciais e tornar o OLED instável. Este efeito é um grande problema para materiais emissores de azul (a luz azul tem a maior energia de todas as cores) que, na prática, a abordagem não pode ser usada.

Químicos da Universidade de East Anglia desenvolveram agora um novo tipo de material em que duas moléculas orgânicas diferentes são unidas por um átomo de cobre ou ouro. A estrutura resultante se parece um pouco com uma hélice. Os compostos, que pode ser feito por um procedimento simples de um único recipiente a partir de materiais prontamente disponíveis, foram considerados surpreendentemente luminescentes. Girando sua "hélice", estados escuros formados nesses materiais tornam-se torcidos, o que permite que eles mudem seu giro rapidamente. O processo aumenta significativamente a taxa na qual a energia elétrica é convertida em luz, alcançando uma eficiência de quase 100% e evitando o acúmulo prejudicial de estados escuros.

Dr. Dawei Di e Dr. Le Yang, de Cambridge, foram co-autores principais, junto com o Dr. Alexander Romanov, da UEA. Ele diz:

"Nossa descoberta de que compostos simples de cobre e ouro podem ser usados ​​como materiais brilhantes e eficientes para OLEDs demonstra como a química pode trazer benefícios tangíveis para a sociedade. Todas as tentativas anteriores de construir OLEDs com base nesses metais levaram a um sucesso apenas medíocre. O problema é que esses materiais exigiam que as moléculas orgânicas sofisticadas fossem ligadas ao cobre, mas não atendiam aos padrões industriais. Nossos resultados abordam um desafio contínuo de pesquisa e desenvolvimento que pode levar produtos OLED de alta tecnologia a preços acessíveis para todas as casas. "

A modelagem computacional desempenhou um papel importante na descoberta dessa nova maneira de aproveitar os movimentos de torção intramolecular para a conversão de energia.

Professor Mikko Linnolahti, da University of Eastern Finland, onde isso foi feito, comentários:

"Este trabalho constitui o estudo de caso de como podemos explicar os princípios por trás do funcionamento desses novos materiais e sua aplicação em OLEDS."

A próxima etapa é projetar novas moléculas que aproveitem ao máximo esse mecanismo, com o objetivo final de eliminar totalmente a necessidade de elementos raros. Isso resolveria o problema mais antigo no campo - como fazer OLEDs sem ter que trocar entre eficiência e estabilidade.

Co-autor principal, Dr. Dawei Di, do Laboratório Cavendish, diz:

"Nosso trabalho mostra que o spin de estado excitado e o movimento molecular podem trabalhar juntos para impactar fortemente o desempenho dos OLEDs. Esta é uma excelente demonstração de como a mecânica quântica, um importante ramo da ciência fundamental, pode ter consequências diretas para uma aplicação comercial que tem um enorme mercado global. "