Os pesquisadores desenvolveram novas diretrizes para o design molecular que evitam que os elétrons percam energia através de vibrações atômicas. Essas inovações prometem revolucionar a eficácia das moléculas orgânicas usadas em OLEDs, sensores e imagens biomédicas. Crédito: SciTechDaily.com
Novas regras de design molecular descobertas através de técnicas espectroscópicas baseadas em laser permitem o desacoplamento de elétrons de vibrações atômicas, levando a um desempenho significativamente melhorado em aplicações como OLEDs e imagens biomédicas.
Desde a descoberta da mecânica quântica, há mais de cem anos, sabe-se que os elétrons nas moléculas podem ser acoplados ao movimento dos átomos que as constituem. Freqüentemente chamados de vibrações moleculares, o movimento dos átomos atua como pequenas molas, passando por movimentos periódicos.
Para os elétrons nesses sistemas, estar unidos ao quadril com essas vibrações significa que eles também estão em constante movimento, dançando ao som dos átomos, em escalas de tempo de um milionésimo de bilionésimo de segundo. Mas toda esta dança leva a uma perda de energia e limita o desempenho de moléculas orgânicas em aplicações como díodos emissores de luz (OLED), sensores infravermelhos e biomarcadores fluorescentes utilizados no estudo de células e para marcar doenças como células cancerígenas.
Avanço no Design Molecular
Agora, investigadores que utilizam técnicas espectroscópicas baseadas em laser descobriram “novas regras de design molecular” capazes de travar esta dança molecular. Seus resultados, relatados em Naturezarevelou princípios cruciais de design que podem interromper o acoplamento de elétrons às vibrações atômicas, interrompendo sua dança frenética e impulsionando as moléculas para alcançar um desempenho incomparável.
Ilustração artística de uma propriedade de emissão de luz de moléculas orgânicas modulada pela dança quântica dos átomos. Crédito: Pratyush Ghosh, Laboratório Cavendish, Universidade de Cambridge, editado
“Todas as moléculas orgânicas, como as encontradas nas células vivas ou na tela do seu telefone, consistem em átomos de carbono conectados uns aos outros por meio de uma ligação química”, disse o estudante de doutorado da Cavendish, Pratyush Ghosh, primeiro autor do estudo e membro do St John’s. Faculdade.
“Essas ligações químicas são como minúsculas molas vibratórias, que geralmente são sentidas pelos elétrons, prejudicando o desempenho de moléculas e dispositivos. No entanto, descobrimos agora que certas moléculas podem evitar estes efeitos prejudiciais quando restringimos a estrutura geométrica e electrónica da molécula a algumas configurações especiais.”
Para demonstrar esses princípios de design, os cientistas projetaram uma série de moléculas eficientes que emitem infravermelho próximo (680-800 nm). Nessas moléculas, as perdas de energia resultantes de vibrações – essencialmente, elétrons dançando ao som dos átomos – foram mais de 100 vezes menores do que nas moléculas orgânicas anteriores.
Esta compreensão e desenvolvimento de novas regras para projetar moléculas emissoras de luz abriu uma trajetória extremamente interessante para o futuro, onde estas observações fundamentais podem ser aplicadas às indústrias.
Aplicações potenciais e direções futuras
“Essas moléculas também têm uma ampla gama de aplicações hoje. A tarefa agora é traduzir a nossa descoberta para criar tecnologias melhores, desde ecrãs melhorados até moléculas melhoradas para imagens biomédicas e deteção de doenças”, concluiu o professor Akshay Rao do Laboratório Cavendish, que liderou esta investigação.
Referência: “Desacoplando excitons de vibrações de alta frequência em moléculas orgânicas” por Pratyush Ghosh, Antonios M. Alvertis, Rituparno Chowdhury, Petri Murto, Alexander J. Gillett, Shengzhi Dong, Alexander J. Sneyd, Hwan-Hee Cho, Emrys W. Evans, Bartomeu Monserrat, Feng Li, Christoph Schnedermann, Hugo Bronstein, Richard H. Friend e Akshay Rao, 8 de maio de 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07246-x
