Os pesquisadores do MIT melhoraram a estabilidade das moléculas eno, que têm potencial em semicondutores e diodos emissores de luz. A inovação permite que você emita luz em uma variedade de cores e pode avançar seu uso em células solares de alta eficiência e telas mais brilhantes e com baixo consumo de energia. A molécula, chamada ene, poderia ser usada como diodo orgânico emissor de luz ou célula solar, entre outras aplicações possíveis.
Cadeias de anéis contendo carbono fundido têm propriedades optoeletrônicas únicas e podem ser usadas como semicondutores. Essas cadeias, chamadas alcenos, também podem ser ajustadas para emitir diferentes cores de luz, tornando-as candidatas ideais para diodos emissores de luz orgânicos.
A cor da luz emitida pelos alcenos é determinada pelo seu comprimento, mas à medida que as moléculas ficam mais longas, a sua estabilidade diminui, o que tem dificultado a sua utilização generalizada em aplicações emissoras de luz.
Agora, os químicos do MIT descobriram uma forma de tornar estas moléculas mais estáveis, permitindo a síntese de alcenos de diferentes comprimentos. Usando esse novo método, eles foram capazes de criar moléculas que emitem luz vermelha, laranja, amarela, verde ou azul, facilitando a aplicação do eno em diversos campos.
“Esta classe de moléculas, embora útil, apresenta desafios em termos de reatividade”, disse Robert Gilliard, professor associado de química da Novartis no MIT e autor sênior do novo estudo. "Neste estudo, primeiro queríamos abordar a questão da estabilidade e, em segundo lugar, queríamos fazer compostos que pudessem modular a emissão de luz ao longo de um intervalo."
O cientista pesquisador do MIT, Chunlin Deng, é o primeiro autor do artigo, que foi publicado na revista Nature Chemistry em 5 de dezembro.
Alceno consiste em moléculas de benzeno (anéis feitos de carbono e hidrogênio) fundidas de forma linear. Por serem ricos em elétrons compartilháveis e poderem transportar carga com eficiência, eles têm sido usados como semicondutores e transistores de efeito de campo (transistores que usam campos elétricos para controlar o fluxo de corrente em semicondutores).
Pesquisas recentes mostraram que os alcenos, que substituem ou “dopam” alguns de seus átomos de carbono com boro e nitrogênio, têm propriedades eletrônicas mais úteis. No entanto, tal como os alcenos tradicionais, estas moléculas não são estáveis quando expostas ao ar ou à luz. Normalmente, os alcenos devem ser sintetizados em um recipiente selado chamado porta-luvas para evitar que se decomponham quando expostos ao ar. Quanto mais tempo leva, mais suscetível fica ao oxigênio, à água ou à luz, o que pode levar a reações indesejadas.
Para tentar tornar os alcenos mais estáveis, Gilliard decidiu usar um ligante que seu laboratório já havia usado, um carbadiino. Em um estudo publicado no ano passado, eles usaram esse ligante para estabilizar íons fluoreno de boro, compostos orgânicos que emitem diferentes cores de luz conforme a temperatura muda.
Neste estudo, Gilliard e seus coautores desenvolveram um novo método sintético que lhes permitiu adicionar carbonadienos a alcenos dopados com boro e nitrogênio. Com a adição de novos ligantes, o eno fica carregado positivamente, aumentando sua estabilidade e conferindo-lhe propriedades eletrônicas únicas.
Usando esse método, os pesquisadores criaram alcenos que produzem cores diferentes, dependendo do seu comprimento e do tipo de grupo químico ligado ao carbodiino. Até agora, a maioria dos enos dopados com boro e nitrogênio sintetizados só podem emitir luz azul.
“A emissão vermelha é importante para uma ampla gama de aplicações, incluindo aplicações biológicas, como imagens”, disse Gilliard. "Muitos tecidos humanos emitem luz azul, dificultando a obtenção de imagens com sondas fluorescentes azuis, que é uma das muitas razões pelas quais as pessoas procuram emissores vermelhos."
Aplicações e direções futuras
Outra característica importante desses alcenos é que eles são estáveis tanto no ar quanto na água. Moléculas carregadas contendo boro com números de coordenação mais baixos (ou seja, menos sítios orto para o átomo central de boro) são geralmente extremamente instáveis em água, portanto a estabilidade de compostos olefínicos em água é notável, tornando viável seu uso em imagens e outras aplicações médicas.
"Uma das razões pelas quais estamos entusiasmados com a classe de compostos aqui relatados é que eles podem ser suspensos na água. Isto abre uma ampla gama de possibilidades", disse Gilliard.
Os pesquisadores agora planejam tentar adicionar diferentes tipos de compostos de carbadieno para ver se conseguem criar outros com melhor estabilidade e eficiência quântica (uma medida da quantidade de luz que um material emite).
“Achamos que é possível fazer muitos derivados diferentes que ainda não sintetizamos”, disse Gilliard. "Há muitas propriedades optoeletrônicas que ainda não exploramos e estamos entusiasmados com isso."
Gilliard também planeja trabalhar com Marc Baldo, professor de engenharia elétrica do MIT, para tentar incorporar os novos alcenos em um tipo de célula solar chamada célula solar de fissão única. Esta célula solar pode gerar dois elétrons a partir de um fóton, tornando a célula muito mais eficiente. Tais compostos também poderiam ser desenvolvidos para uso em diodos emissores de luz para televisores e telas de computadores. Os diodos emissores de luz orgânicos são mais leves e flexíveis que os diodos emissores de luz tradicionais, produzem imagens mais brilhantes e consomem menos energia.
“Sejam semicondutores orgânicos, dispositivos emissores de luz ou células solares baseadas na fissão singleton, ainda estamos nos estágios iniciais de desenvolvimento de aplicações específicas, mas devido à sua estabilidade, a fabricação de dispositivos deve ser muito mais suave do que com compostos típicos deste tipo”, disse Gilliard.
Ao combinar carbono ativo de valência zero e espécies de boro catiônico, este trabalho criativo com um paradigma não convencional, sem dúvida, abre um caminho promissor para o desenvolvimento de materiais luminescentes altamente estáveis ao ar e à luz e dispositivos de coleta de energia em microescala.
Referência "Íons carbodicarbeno-azaborarsênico luminescentes estáveis ao ar e à luz" em coautoria de Deng Chunlin, Akachukwu D. Obi, BiYouan E. Tra, Samir Kumar Sarkar, Diane A. Dickie e Robert J. Gilliard Jr., 5 de dezembro de 2023, "Nature-Chemistry".
DOI:10.1038/s41557-023-01381-03
Fonte compilada: ScitechDaily