Una molécula orgánica de doble función podría hacer avanzar las tecnologías de visualización e imagen médica
Los investigadores superan un antiguo reto de diseño molecular al conseguir una emisión de luz y una absorción de fotones eficientes en el mismo compuesto.
Investigadores de la Universidad de Kyushu han desarrollado una nueva molécula orgánica que presenta simultáneamente dos propiedades muy buscadas: una emisión de luz eficiente, adecuada para pantallas avanzadas, y una fuerte absorción de luz para bioimágenes de tejidos profundos. Este avance resuelve un viejo problema de diseño molecular y abre el camino a la nueva generación de materiales multifuncionales. T
Esta imagen muestra la estructura de la molécula orgánica propuesta, junto con los diagramas de niveles de energía de la absorción de dos fotones (lado izquierdo) y la fluorescencia retardada activada térmicamente (lado derecho).
Youhei Chitose/Kyushu University
os diodos orgánicos emisores de luz (OLED) están a la vanguardia de las tecnologías modernas de visualización e iluminación, y alimentan prácticamente todo, desde las pantallas de los teléfonos inteligentes hasta los grandes televisores y monitores. Un fenómeno clave que se está investigando activamente para mejorar la eficiencia de los OLED es la fluorescencia retardada activada térmicamente (TADF). Este proceso se produce cuando la energía absorbida atrapada en un estado no emisor de luz (estado triplete) se desplaza a un estado emisor de luz (estado singlete) utilizando el calor del entorno. En pocas palabras, los materiales que presentan TADF pueden producir luz de forma eficiente a partir de la energía que normalmente se perdería, lo que da lugar a dispositivos más brillantes y eficientes energéticamente.
Más allá de las pantallas, la capacidad de captar imágenes nítidas de tejidos biológicos causando un daño mínimo es crucial para el diagnóstico y la investigación médica. Con este fin, han demostrado su utilidad las técnicas que aprovechan la absorción de dos fotones (2PA). En la 2PA, en lugar de absorber un único fotón de alta energía, una molécula absorbe simultáneamente dos fotones de menor energía procedentes de un láser de alta intensidad para alcanzar un estado de excitación capaz de emitir fluorescencia. La luz con fotones de menor energía y mayor longitud de onda, como la del infrarrojo cercano, es ideal para la obtención de imágenes biomédicas, ya que puede penetrar mucho más profundamente en los tejidos sin dispersarse. Además, el 2PA significa que sólo se excita una pequeña porción de tejido en el punto focal del láser, lo que causa menos daño a las células vivas.
Aunque la TADF y la 2PA son propiedades deseables en los materiales orgánicos -una para una emisión de luz eficiente y la otra para una imagen superior-, combinar ambas en una sola molécula ha sido un gran reto. Esto se debe a que estos mecanismos imponen requisitos de diseño contradictorios. Un TADF potente requiere una estructura molecular retorcida que separe físicamente los orbitales electrónicos para facilitar la conversión de energía. En cambio, el 2PA suele requerir una estructura más plana con un solapamiento significativo de orbitales para permitir una absorción eficaz de la luz.
"Reconociendo que estas dos funciones tienen ventajas complementarias pero requisitos moleculares contradictorios, me motivó diseñar un material que pudiera armonizar ambas, con el objetivo último de crear nuevos materiales multifuncionales que pudieran vincular los campos de la electrónica y las ciencias de la vida", afirma el Dr. Youhei Chitose, profesor adjunto de la Escuela de Postgrado de Ingeniería de la Universidad de Kyushu (Japón) y autor principal del estudio.
Para colmar esta laguna de conocimientos, el equipo de investigación empleó una inteligente estrategia de diseño molecular. Crearon una molécula llamada CzTRZCN que actúa como un interruptor molecular, cambiando su estructura y propiedades en función de si absorbe o emite luz. Para ello combinaron un compuesto de carbazol (Cz) rico en electrones con un núcleo de triazina (TRZ) deficiente en electrones. Los investigadores pudieron ajustar la agrupación de los electrones en orbitales dentro de la estructura añadiendo grupos ciano (CN), que ejercen una fuerte atracción sobre los electrones.
El resultado final fue que, durante la absorción de la luz, CzTRZCN mantiene un solapamiento orbital suficiente entre sus componentes para absorber eficazmente dos fotones de forma simultánea. Tras la excitación, la molécula experimenta cambios estructurales que separan estos componentes, permitiendo la TADF.
Mediante una combinación de cálculos teóricos y validación experimental, el equipo demostró que su material de nuevo diseño lograba una notable funcionalidad dual. Cuando se integró en un dispositivo OLED, CzTRZCN alcanzó una eficiencia cuántica externa del 13,5%, estableciendo un nuevo punto de referencia entre los materiales TADF basados en triazinas. Además, presentaba una elevada sección transversal 2PA (una medida de la eficiencia 2PA) y un alto brillo, lo que pone de manifiesto su potencial para la obtención de imágenes médicas.
"La molécula propuesta es un compuesto orgánico sin metales con baja toxicidad para las células y alta biocompatibilidad. Esto la hace ideal para su uso en sondas médicas para diagnósticos precisos de cáncer y neurología, especialmente mediante microscopía de fluorescencia con resolución temporal", destaca Chitose.
En conjunto, este estudio representa un paso importante hacia el desarrollo de materiales orgánicos versátiles que tiendan puentes entre los campos de la fotoelectrónica y la bioimagen". Más allá del uso médico, la estrategia de diseño molecular propuesta para conseguir diferentes características orbitales de absorción y emisión puede aplicarse ampliamente a otros materiales multifuncionales.
"De cara al futuro, pretendemos ampliar este enfoque de diseño molecular para cubrir una gama más amplia de longitudes de onda de emisión. También tenemos previsto colaborar con investigadores de los campos de la biomedicina y la ingeniería de dispositivos para explorar la implementación de estos materiales en aplicaciones prácticas como la obtención de imágenes in vivo, los sensores portátiles y los OLED", concluye Chitose.
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Publicación original
Youhei Chitose, Gomathi Vinayakam Mageswari, Ryota Zenke, Toshiharu Ide, Shintaro Kohata, Ja‐Hon Lin, Tzu‐Chau Lin, Youichi Tsuchiya, Chihaya Adachi; "Unlocking Dual Functionality in Triazine‐Based Emitters: Synergistic Enhancement of Two‐Photon Absorption and TADF‐OLED Performance with Electron‐Withdrawing Substituents"; Advanced Materials, 2025-7-29
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