Un repentino aumento de la luminosidad: nuevo método para apilar tintes
Un equipo germano-coreano apila hasta 14 unidades de colorante de forma selectiva, superando así el problema del enfriamiento
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Un sofisticado proceso apila moléculas de colorante de tal manera que su luminosidad aumenta significativamente a medida que crece su tamaño: un importante paso adelante para la electrónica del mañana.
En la naturaleza, un determinado tamaño es a menudo un requisito previo para que las biomoléculas desempeñen sus funciones específicas. Por ejemplo, para que las proteínas o el ADN cumplan sus tareas vitales, deben plegarse de forma precisa, y esto requiere una cierta longitud mínima.
Hace tiempo que los químicos de laboratorio son capaces de construir paso a paso proteínas y ácidos nucleicos con longitudes y composiciones definidas mediante síntesis en fase sólida.
Ahora, por primera vez, investigadores alemanes y coreanos han presentado un método de síntesis comparable para moléculas de colorantes orgánicos. Con este método se pueden apilar específicamente hasta 14 unidades de bisimida de perileno. Se eligieron estos colorantes por su interés para futuras generaciones de semiconductores orgánicos y nanoláseres. Comienzan a brillar cuando son excitados por pulsos de luz.
El descubrimiento: la luminosidad aumenta espectacularmente
"Con nuestro nuevo método de síntesis, podemos garantizar que las moléculas de colorante no se apilen de forma irregular, sino que se plieguen con precisión en los llamados 'plegámeros', en una secuencia y disposición espacial definidas", explica el profesor Frank Würthner, director del Centro de Química de Nanosistemas y catedrático de Química Orgánica II de la Universidad de Würzburg.
Pero eso no es todo. Al apilar gradualmente las moléculas de colorante unas sobre otras, los científicos descubrieron un efecto crucial: al ampliar las pilas hasta una altura de cuatro a seis unidades, su luminiscencia aumenta significativamente.
¿Por qué ocurre esto? "En el rango de cuatro a seis moléculas apiladas, la estructura se estabiliza hasta tal punto que en el centro domina un estado multiexcitónico, lo que conduce a un aumento significativo del rendimiento cuántico de fluorescencia", explica el estudiante de doctorado Leander Ernst, autor principal del estudio. El aumento de la rigidez estructural en el centro de la pila protege el estado excitado de influencias externas y optimiza la emisión de luz".
Los datos de los investigadores demuestran de forma impresionante este efecto: mientras que una pila de dos unidades exhibe una eficiencia luminosa del 47 %, esta cifra asciende hasta el 75 % en el caso de una cadena de 14 unidades.
Para futuras aplicaciones en tecnología, esto significa que los componentes con tintes apilados podrían consumir menos electricidad o brillar mucho más con el mismo aporte energético.
Significado del estudio para la ciencia
En el desarrollo de materiales semiconductores orgánicos, los científicos han utilizado hasta ahora sobre todo "modelos de dímeros" para predecir el acoplamiento de moléculas en materiales de estado sólido, como los que se encuentran en las aplicaciones de la ciencia de materiales. Ahora debería quedar claro que este modelo es insuficiente: es como intentar comprender la estabilidad estructural de una casa examinando dos ladrillos colocados uno encima del otro.
Hasta ahora, un problema clave en el uso de materiales basados en colorantes en aplicaciones de iluminación ha sido el llamado "apagado": normalmente, los colorantes pierden su luminosidad cuando están muy juntos, es decir, se "apagan" unos a otros. Los investigadores de Würzburg y Seúl han superado esta limitación en el caso de los plegámeros de bisimida de perileno descritos.
Sin embargo, la transferencia de la investigación básica a los dispositivos cotidianos del mundo real sigue siendo un reto. Un consorcio de investigación de Wurzburgo que combina la química y la física, dirigido por los profesores Tobias Brixner (Química) y Bert Hecht (Física), se propone abordar esta cuestión en la JMU.
Los resultados se han obtenido en colaboración entre el equipo del profesor Frank Würthner y el grupo dirigido por el profesor Dongho Kim en la Universidad Yonsei de Seúl (Corea). Se han publicado en la revista Nature Chemistry.
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