A investigação renovada de uma molécula que foi originalmente sintetizada com o objetivo de criar um pigmento absorvente de luz exclusivo levou ao estabelecimento de uma nova estratégia de design para moléculas emissoras de luz eficientes com aplicações em visores e iluminação de próxima geração.

Pesquisadores do Centro de Fotônica Orgânica e Pesquisa Eletrônica (OPERA) da Universidade de Kyushu demonstraram que uma molécula que muda ligeiramente sua estrutura química antes e depois da emissão pode atingir uma alta eficiência em diodos emissores de luz orgânicos (OLEDs).

Além de produzir cores vibrantes, Os OLEDs podem ser fabricados em tudo, desde pixels minúsculos a painéis grandes e flexíveis, tornando-os extremamente atraentes para displays e iluminação.

Em um OLED, cargas elétricas injetadas em filmes finos de moléculas orgânicas se unem para formar pacotes de energia - chamados de excitons - que podem produzir emissão de luz.

O objetivo é converter todos os excitons em luz, mas três quartos dos excitons criados são trigêmeos, que não produzem luz em materiais convencionais, enquanto o quarto restante são singlets, que emitem através de um processo denominado fluorescência.

Inclusão de um metal raro, como irídio ou platina, em uma molécula pode permitir a emissão rápida dos trigêmeos por meio da fosforescência, que atualmente é a tecnologia dominante para OLEDs altamente eficientes.

Um mecanismo alternativo é o uso de calor no ambiente para dar aos trigêmeos um impulso energético suficiente para convertê-los em singuletos emissores de luz.

Este processo, conhecido como fluorescência retardada termicamente ativada (TADF), ocorre facilmente à temperatura ambiente em moléculas apropriadamente projetadas e tem a vantagem adicional de evitar o custo e a liberdade de projeto molecular reduzida associada a metais raros.

Contudo, a maioria das moléculas TADF ainda contam com a mesma abordagem de projeto básico.

"Muitas novas moléculas TADF estão sendo relatadas a cada mês, mas continuamos vendo o mesmo design subjacente com grupos doadores de elétrons conectados a grupos aceitadores de elétrons, "diz Masashi Mamada, pesquisador principal do estudo que relata os novos resultados.

"Encontrar projetos moleculares fundamentalmente diferentes que também exibem TADF eficiente é a chave para desbloquear novas propriedades, e neste caso, encontramos um olhando para o passado com uma nova perspectiva. "

Atualmente, combinações de unidades de doação e aceitação são usadas principalmente porque fornecem uma maneira relativamente simples de empurrar os elétrons em uma molécula e obter as condições necessárias para TADF.

Embora o método seja eficaz e uma grande variedade de combinações seja possível, novas estratégias ainda são desejadas na busca por emissores perfeitos ou únicos.

O mecanismo explorado pelos pesquisadores desta vez envolve a transferência reversível de um átomo de hidrogênio - tecnicamente, apenas seu núcleo positivo - de um átomo na molécula emissora para outro na mesma molécula para criar um arranjo que conduza a TADF.

Esta transferência ocorre espontaneamente quando a molécula é excitada com energia ótica ou elétrica e é conhecida como transferência intramolecular de prótons em estado excitado (ESIPT).

Este processo ESIPT é tão importante nas moléculas investigadas que cálculos quânticos dos pesquisadores indicam que o TADF não é possível antes da transferência do hidrogênio.

Depois da excitação, o hidrogênio se transfere rapidamente para um átomo diferente na molécula, levando a uma estrutura molecular capaz de TADF.

O hidrogênio é transferido de volta ao seu átomo inicial depois que a molécula emite luz, e a molécula está então pronta para repetir o processo.

Embora o TADF de uma molécula ESIPT tenha sido relatado anteriormente, esta é a primeira demonstração de TADF altamente eficiente observada dentro e fora de um dispositivo.

Essa estratégia de projeto muito diferente abre a porta para alcançar o TADF com uma variedade de novas estruturas químicas que não teriam sido consideradas com base nas estratégias anteriores.

Interessantemente, a molécula que os pesquisadores usaram foi provavelmente uma decepção quando sintetizada pela primeira vez há quase 20 anos por químicos que esperavam criar um novo pigmento apenas para descobrir que a molécula é incolor.

"As moléculas orgânicas nunca param de me surpreender, "diz o professor Chihaya Adachi, Diretor do OPERA. “Existem muitos caminhos com diferentes vantagens e desvantagens para atingir o mesmo objetivo, e ainda apenas arranhamos a superfície do que é possível. "

As vantagens desta estratégia de design estão apenas começando a ser exploradas, mas uma área particularmente promissora está relacionada à estabilidade.

Moléculas semelhantes à investigada são conhecidas por serem altamente resistentes à degradação, portanto, os pesquisadores esperam que esses tipos de moléculas possam ajudar a melhorar a vida útil dos OLEDs.

Para ver se este é o caso, os testes estão em andamento.

Embora só o tempo dirá até onde essa estratégia específica irá, as opções continuamente crescentes para emissores OLED certamente são um bom presságio para seu futuro.