Cadeias de anéis fundidos contendo carbono possuem propriedades optoeletrônicas únicas que os tornam úteis como semicondutores. Essas cadeias, conhecidas como acenos, também podem ser ajustadas para emitir diferentes cores de luz, o que as torna boas candidatas para uso em diodos emissores de luz orgânicos.



A cor da luz emitida por um aceno é determinada pelo seu comprimento, mas à medida que as moléculas se tornam mais longas, elas também se tornam menos estáveis, o que tem dificultado a sua utilização generalizada em aplicações emissoras de luz.

Os químicos do MIT descobriram agora uma maneira de tornar essas moléculas mais estáveis, permitindo-lhes sintetizar acenos de comprimentos variados. Usando sua nova abordagem, eles foram capazes de construir moléculas que emitem luz vermelha, laranja, amarela, verde ou azul, o que poderia facilitar a implantação de acenes em uma variedade de aplicações.

“Esta classe de moléculas, apesar da sua utilidade, apresenta desafios em termos do seu perfil de reatividade”, diz Robert Gilliard, professor associado de química da Novartis no MIT e autor sênior do novo estudo. "O que tentamos abordar neste estudo primeiro foi o problema de estabilidade e, em segundo lugar, queríamos fazer compostos onde fosse possível ter uma faixa ajustável de emissão de luz."

A cientista pesquisadora do MIT, Chun-Lin Deng, é a autora principal do artigo, que aparece na Nature Chemistry .

Moléculas coloridas

Os acenos consistem em moléculas de benzeno – anéis feitos de carbono e hidrogênio – fundidos de forma linear. Por serem ricos em elétrons compartilháveis ​​e poderem transportar eficientemente uma carga elétrica, eles têm sido usados ​​como semicondutores e transistores de efeito de campo (transistores que usam um campo elétrico para controlar o fluxo de corrente em um semicondutor).

Trabalhos recentes mostraram que acenos nos quais alguns dos átomos de carbono são substituídos, ou “dopados”, com boro e nitrogênio têm propriedades eletrônicas ainda mais úteis. No entanto, tal como os acenos tradicionais, estas moléculas são instáveis ​​quando expostas ao ar ou à luz.

Freqüentemente, os acenos precisam ser sintetizados dentro de um recipiente lacrado chamado porta-luvas para protegê-los da exposição ao ar, o que pode levá-los à decomposição. Quanto mais longos são os acenos, mais suscetíveis eles são a reações indesejadas iniciadas por oxigênio, água ou luz.

Para tentar tornar os acenos mais estáveis, Gilliard decidiu usar um ligante com o qual seu laboratório já trabalhou, conhecido como carbodicarbenos. Em estudo publicado no ano passado, eles usaram esse ligante para estabilizar íons borafluorênio, compostos orgânicos que podem emitir diferentes cores de luz em resposta às mudanças de temperatura.

Para este estudo, Gilliard e seus coautores desenvolveram uma nova síntese que lhes permitiu adicionar carbodicarbenos a acenos que também são dopados com boro e nitrogênio. Com a adição do novo ligante, os acenos ficaram carregados positivamente, o que melhorou sua estabilidade e também lhes conferiu propriedades eletrônicas únicas.

Usando essa abordagem, os pesquisadores criaram acenos que produzem cores diferentes, dependendo do comprimento e dos tipos de grupos químicos ligados ao carbodicarbeno. Até agora, a maior parte dos acenos dopados com boro e nitrogênio que foram sintetizados podiam emitir apenas luz azul.

“A emissão vermelha é muito importante para aplicações amplas, incluindo aplicações biológicas como imagens”, diz Gilliard. "Muitos tecidos humanos emitem luz azul, por isso é difícil usar sondas fluorescentes azuis para imagens, que é uma das muitas razões pelas quais as pessoas procuram emissores vermelhos."

Melhor estabilidade

Outra característica importante desses acenos é que eles permanecem estáveis ​​tanto no ar quanto na água. Moléculas carregadas contendo boro com um baixo número de coordenação (o que significa que o átomo central de boro tem poucos vizinhos) são frequentemente altamente instáveis ​​na água, portanto a estabilidade dos acenos na água é notável e pode tornar viável seu uso para imagens e outras aplicações médicas .

"Uma das razões pelas quais estamos entusiasmados com a classe de compostos que relatamos neste artigo é que eles podem ser suspensos na água. Isso abre uma ampla gama de possibilidades", diz Gilliard.

Os investigadores planeiam agora tentar incorporar diferentes tipos de carbodicarbenos para ver se conseguem criar acenos adicionais com estabilidade e eficiência quântica ainda melhores (uma medida da quantidade de luz emitida pelo material).

“Achamos que será possível fazer muitos derivados diferentes que ainda nem sintetizamos”, diz Gilliard. "Há muitas propriedades optoeletrônicas que podem ser avaliadas e que ainda precisamos explorar, e estamos entusiasmados com isso também."

Gilliard também planeja trabalhar com Marc Baldo, professor de engenharia elétrica do MIT, para tentar incorporar os novos acenos em um tipo de célula solar conhecida como célula solar baseada em fissão única. Este tipo de célula solar pode produzir dois elétrons a partir de um fóton, tornando a célula muito mais eficiente.

Esses tipos de compostos também poderiam ser desenvolvidos para uso como diodos emissores de luz para telas de televisão e computadores, diz Gilliard. Os diodos emissores de luz orgânicos são mais leves e flexíveis que os LEDs tradicionais, produzem imagens mais brilhantes e consomem menos energia.

“Ainda estamos nos estágios iniciais de desenvolvimento de aplicações específicas, sejam semicondutores orgânicos, dispositivos emissores de luz ou células solares baseadas em fissão singlete, mas devido à sua estabilidade, a fabricação do dispositivo deve ser muito mais suave do que o típico. para esses tipos de compostos", diz Gilliard.

"Ao combinar carbono zerovalente reativo e espécies de boro catiônico, este trabalho criativo com um paradigma não tradicional certamente abre um caminho promissor para o desenvolvimento de materiais emissores de luz altamente estáveis ​​ao ar e fotoestáveis ​​e dispositivos de coleta de energia em miniatura", diz Tiow-Gan Ong. , vice-diretor do Instituto de Química da Academia Sinica da China, que não esteve envolvido na pesquisa.

Mais informações: Chun-Lin Deng et al, Íons de carbodicarbeno-azaboraacênio luminescentes fotoestáveis ​​e ao ar, Nature Chemistry (2023). DOI:10.1038/s41557-023-01381-0
Informações do diário: Química da Natureza

Fornecido pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Esta história foi republicada como cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.