Um Avanço Inesperado em Materiais Isolantes

Pesquisadores do Laboratório Cavendish, da Universidade de Cambridge, descobriram como impulsionar a corrente elétrica em materiais que normalmente não conduzem, um feito antes considerado impossível em condições normais. Ao anexar moléculas orgânicas cuidadosamente selecionadas que atuam como pequenas antenas, eles construíram os primeiros diodos emissores de luz (LEDs) a partir de nanopartículas isolantes. Seu trabalho, reportado na revista Nature, aponta para uma nova geração de dispositivos para imagem biomédica em tecidos profundos e transmissão de dados em alta velocidade.

Nanopartículas Doped com Lantanídeos

A equipe focou em nanopartículas dopadas com lantanídeos (LnNPs), uma classe bem conhecida de materiais valorizados por produzir luz extremamente pura e estável. Essas nanopartículas são especialmente eficazes na segunda região do infravermelho próximo, que pode penetrar profundamente no tecido biológico. No entanto, até agora, seu caráter eletricamente isolante significava que não podiam ser integradas em componentes eletrônicos padrão, como LEDs.

“Essas nanopartículas são emissores de luz fantásticos, mas não conseguimos alimentá-las com eletricidade. Essa era uma barreira significativa que impedia seu uso na tecnologia cotidiana,” disse o Professor Akshay Rao, que liderou a pesquisa no Laboratório Cavendish. “Encontramos essencialmente uma porta dos fundos para alimentá-las. As moléculas orgânicas atuam como antenas, capturando portadores de carga e então ‘sussurrando’ para a nanopartícula através de um processo especial de transferência de energia triplet, que é surpreendentemente eficiente.”

Design Híbrido Orgânico-Inorgânico com Antenas Moleculares

Para superar o problema da isolação, os pesquisadores criaram uma estrutura híbrida orgânico-inorgânica. Eles anexaram um corante orgânico com um grupo funcional âncora, chamado ácido 9-antracenocarboxílico (9-ACA), à superfície das nanopartículas LnNPs. Nos novos LEDs, as cargas elétricas são injetadas nessas moléculas 9-ACA, que atuam como uma antena molecular, em vez de diretamente nas nanopartículas.

Uma vez energizadas, as moléculas 9-ACA entram em um estado excitado de triplet. Em muitos sistemas ópticos, esse estado de triplet é considerado “escuro”, o que significa que sua energia é frequentemente perdida em vez de convertida em luz útil. No entanto, neste design, a energia do estado triplet é transferida com mais de 98% de eficiência para os íons de lantanídeo dentro das nanopartículas isolantes, fazendo com que elas emitam luz com brilho notável.

Luz Infravermelha Próxima Ultra-Pura em Baixa Tensão

Usando esse método, os “LnLEDs” da equipe podem ser ativados com uma tensão de operação relativamente baixa de cerca de 5 volts. Ao mesmo tempo, eles geram eletroluminescência com uma largura espectral extremamente estreita. Isso torna a emissão muito mais pura do que a de muitas tecnologias concorrentes, incluindo pontos quânticos (QDs).

“A pureza da luz na janela do infravermelho próximo emitida pelos nossos LnLEDs é uma enorme vantagem,” disse o Dr. Zhongzheng Yu, um dos autores principais do estudo e associado de pesquisa pós-doutoral no Laboratório Cavendish. “Para aplicações como sensoriamento biomédico ou comunicações ópticas, você deseja um comprimento de onda muito específico e afiado. Nossos dispositivos alcançam isso com facilidade, algo que é muito difícil de fazer com outros materiais.”

Potencial em Imagem Biomédica, Comunicações Ópticas e Sensoriamento

Como essas nanopartículas eletricamente alimentadas podem emitir luz tão pura e bem definida, elas poderiam formar a base de tecnologias médicas avançadas. Pequenos LnLEDs, potencialmente injectáveis ou integrados em dispositivos vestíveis, poderiam ser usados para imagem de tecidos profundos para localizar cânceres, monitorar a função de órgãos em tempo real ou ativar drogas com luz com alta precisão.

A sua saída espectral estreita também os torna atraentes para comunicações ópticas, onde comprimentos de onda puros e estáveis podem ajudar a enviar mais dados com menos interferência. Além disso, essa plataforma poderia suportar sensores altamente sensíveis que detectam produtos químicos ou marcadores biológicos muito específicos, melhorando as ferramentas de diagnóstico e o monitoramento ambiental.

Desempenho de Primeira Geração e Direções Futuras

Em testes iniciais, os pesquisadores alcançaram uma eficiência quântica externa pico acima de 0,6% para seus LEDs NIR-II. Para um dispositivo de primeira geração baseado em nanopartículas isolantes alimentadas eletricamente, esse desempenho é considerado muito promissor. A equipe também identificou caminhos claros para aumentar ainda mais a eficiência em futuros designs.

“Isto é apenas o começo. Desbloqueamos toda uma nova classe de materiais para optoeletrônica,” acrescentou o Dr. Yunzhou Deng, associado de pesquisa pós-doutoral no Laboratório Cavendish. “O princípio fundamental é tão versátil que agora podemos explorar combinações infinitas de moléculas orgânicas e nanomateriais isolantes. Isso nos permitirá criar dispositivos com propriedades personalizadas para aplicações que ainda nem imaginamos.”

Este trabalho foi apoiado em parte por uma concessão de pesquisa de fronteira da UK Research and Innovation (UKRI) e Bolsas Individuais de Pós-Doutorado (esquema de concessão Marie Skłodowska-Curie).