Em um feito molecular semelhante a fazer com que os pedestres em uma faixa de pedestres comecem a caminhar espontaneamente, pesquisadores da Universidade de Kyushu criaram uma série de moléculas que tendem a enfrentar a mesma direção para formar um "potencial de superfície gigante" quando evaporadas em uma superfície.
Os pesquisadores esperam utilizar a abordagem para gerar campos elétricos controlados que ajudem a melhorar a eficiência dos diodos emissores de luz orgânicos usados ​​em displays e iluminação e abrir novas rotas para a realização de dispositivos que convertem vibrações em eletricidade com materiais orgânicos.

Com base na fantástica versatilidade química do carbono que torna os organismos vivos possíveis, a eletrônica orgânica já está gerando uma onda de telas vibrantes – e até flexíveis – de smartphones e televisão, com aplicações em células solares, lasers e circuitos no horizonte.

Essa flexibilidade se deve em parte à natureza desordenada dos filmes finos dos materiais usados ​​nos dispositivos. Ao contrário da eletrônica inorgânica comum baseada em átomos de silício firmemente conectados em cristais rígidos e bem organizados, os orgânicos geralmente formam camadas 'amorfas' que não são tão bem organizadas.

Apesar da organização aparentemente aleatória das moléculas, os pesquisadores descobriram que algumas de fato tendem a se alinhar em direções semelhantes, impactando profundamente as propriedades de um dispositivo e criando novas possibilidades para controlar o desempenho do dispositivo.

"Um trabalho significativo já foi feito em moléculas que se alinham de forma que a luz que emitem pode escapar mais facilmente de um dispositivo", diz Masaki Tanaka, professor assistente da Universidade de Agricultura e Tecnologia de Tóquio (TUAT), que iniciou o presente trabalho enquanto no Centro de Pesquisa em Fotônica Orgânica e Eletrônica da Universidade de Kyushu (OPERA) e continuou o estudo do alinhamento molecular em filmes amorfos após sua transferência para o TUAT.

"No entanto, outras moléculas eram conhecidas por se alinharem de uma maneira que coloca mais de seus elétrons em um lado da camada, levando ao chamado potencial de superfície acompanhado por um campo elétrico. Esse campo pode ajudar as cargas a entrar ou sair de uma camada. dispositivo para torná-lo mais eficiente ou desbloquear novas propriedades elétricas, mas encontrar maneiras de controlar a formação do campo tem sido um desafio."

Os filmes usados ​​em eletrônica orgânica geralmente têm apenas dezenas de nanômetros de espessura - uma fração da espessura de um cabelo humano - e geralmente são construídos gradualmente aquecendo primeiro um pó orgânico no vácuo para que ele mude diretamente de um sólido para um gás, um processo conhecido como sublimação. Quando as moléculas do pó sublimado atingem uma superfície fria, elas grudam para formar uma camada.

"Na fase gasosa, as moléculas estão girando aleatoriamente e colidindo umas com as outras, então é provável que elas se depositem em uma direção aleatória em um filme", ​​explica Morgan Auffray, que sintetizou as moléculas. "No entanto, descobrimos que certas unidades moleculares com átomos de flúor basicamente se repelem da superfície de deposição. Ao incluir essas unidades em uma molécula, podemos fazer com que as moléculas depositadas se alinhem aproximadamente, com as unidades fluoradas voltadas para fora."

Os pesquisadores então anexaram peças que empurram e puxam elétrons carregados negativamente em direção ou para longe da unidade fluorada. Esse desequilíbrio de cargas entre as moléculas alinhadas em uma superfície leva ao chamado potencial de superfície e a um campo elétrico resultante.

“Como as moléculas depositadas e seus campos elétricos associados apontam em uma direção semelhante, os pequenos campos individuais se somam para produzir um campo geral muito maior”, diz Tanaka. “Não só podemos obter um campo relativamente maior, mas podemos fazê-lo apontar para a superfície, o que raramente foi relatado até agora”.

Essas camadas produzem um potencial de superfície gigante de quase 10 V, o que é particularmente impressionante quando se considera que foi produzido espontaneamente por um filme de apenas 100 nm de espessura.

Uma tensão tão grande em uma espessura tão pequena produz um alto campo elétrico que pode ajudar a obter cargas positivas e negativas nas várias camadas de dispositivos como OLEDs, melhorando assim a eficiência geral de conversão de energia.

Além disso, essas estruturas elétricas embutidas e controladas podem ajudar na criação de novos dispositivos. Os pesquisadores já demonstraram que as camadas podem ser usadas em um novo tipo de dispositivo que converte vibrações em eletricidade, mas ainda há mais trabalho para tornar esses dispositivos práticos.

"A ciência continua nos mostrando novas maneiras de controlar processos elétricos em escala cada vez menor, organizando átomos em moléculas orgânicas", diz Chihaya Adachi, diretora do OPERA. "Esta pesquisa adiciona ao nosso pacote de ferramentas, o que possibilitará novos dispositivos à medida que continua a crescer".

A pesquisa foi publicada em Nature Materials . + Explorar mais

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