Sviluppato LED ultra-puri nel vicino infrarosso (NIR-II) grazie a “antenne molecolari” che attivano elettricamente nanoparticelle isolanti. Questa innovazione apre nuove prospettive per diagnostica medica avanzata, imaging dei tessuti profondi, comunicazioni ottiche ad alta velocità e rilevamento chimico e biologico
Cambridge trasforma l’impossibile in luce: il nuovo LED ultra-puro.
Un approccio recentemente sviluppato utilizza “antenne molecolari” per indirizzare l’energia elettrica nelle nanoparticelle che normalmente non possono condurre elettricità. Questo progresso ha portato a una categoria completamente nuova di LED ultra-puri nel vicino infrarosso, progettati per applicazioni nella diagnostica medica, nei sistemi di comunicazione ottica e nelle tecnologie di rilevamento.
I ricercatori del Cavendish Laboratory dell'University of Cambridge hanno scoperto un modo per attivare elettricamente nanoparticelle isolanti, qualcosa che era stato considerato irrealizzabile in condizioni standard. Attaccando molecole organiche che funzionano come minuscole antenne, il team ha prodotto con successo i primi diodi a emissione di luce (LED) basati su queste particelle. I risultati, riportati su Nature (1), introducono una via per dispositivi di nuova generazione che potrebbero supportare l’imaging medico dei tessuti profondi e il trasferimento dati ad alta velocità.
Lo studio parla di nanoparticelle modificate con elementi rari, chiamate LnNPs, capaci di emettere una luce molto pulita e costante. Il segnale luminoso esce forte soprattutto nella fascia del vicino infrarosso due, utile perché penetra bene nei tessuti viventi. Anche se funzionano bene in questo senso, il fatto che non conducano corrente ha bloccato per anni il loro uso nei dispositivi tipo i LED.
«Queste nanoparticelle sono emettitori di luce fantastici, ma non potevamo alimentarle con l’elettricità. Era una barriera importante che ne impediva l’uso nella tecnologia quotidiana», ha dichiarato il professor Akshay Rao (2), che ha guidato la ricerca al Cavendish Laboratory. «Abbiamo essenzialmente trovato una porta sul retro per alimentarle. Le molecole organiche agiscono come antenne, catturando portatori di carica e poi comunicano alla nanoparticella attraverso un particolare processo di trasferimento di energia tripletto, che è sorprendentemente efficiente».
Un intelligente approccio ibrido
I ricercatori han risolto la questione creando un composto misto, fatto sia di parti organiche che non. Sulla superficie esterna delle LnNPs è stato fissato un pigmento organico con una sorta di gancio chimico, chiamato acido 9-antracenecarbossilico (9-ACA). Nei LED che hanno costruito, le cariche elettriche vengono indirizzate nelle molecole di 9-ACA, che agiscono come antenne molecolari invece di inviare le cariche direttamente nelle nanoparticelle.
Una volta energizzate, queste molecole passano in uno stato tripletto eccitato. In molti sistemi ottici questo stato tripletto è considerato “oscuro” e tipicamente non viene utilizzato. In questo design, tuttavia, più del 98 percento dell’energia dallo stato tripletto viene trasferita agli ioni di lantanide all’interno delle nanoparticelle isolanti, producendo un’emissione luminosa ed efficiente.
Questo nuovo metodo consente ai LnLEDs del team di accendersi con una bassa tensione operativa di circa 5 volt e di produrre elettroluminescenza con una larghezza spettrale eccezionalmente ridotta, rendendola significativamente più pura rispetto alle tecnologie concorrenti come i punti quantici (QDs).
«La purezza della luce nella seconda finestra del vicino infrarosso emessa dai nostri LnLEDs è un enorme vantaggio», ha dichiarato il dottor Zhongzheng Yu, autore principale dello studio e ricercatore post-dottorato al Cavendish Laboratory. «Per applicazioni come il rilevamento biomedico o le comunicazioni ottiche, si desidera una lunghezza d’onda molto precisa e specifica. I nostri dispositivi lo ottengono senza sforzo, qualcosa che è molto difficile da realizzare con altri materiali».
Applicazioni biomediche, di comunicazione e di rilevamento
Questa scoperta permette tanti usi diversi. Dato che emettono una luce molto pulita se collegate all’elettricità, questi nanomateriali potrebbero portare a nuovi strumenti per la medicina.
Piccole luci LnLEDs che si infilano nel corpo oppure si indossano potrebbero aiutare ad analizzare all'interno dei tessuti, localizzando ad esempio cellule cancerogene. Di fatto, attivano medicamenti sensibili alla luce esattamente dove servono, evitando effetti fuori bersaglio. Siccome producono un colore molto pulito e preciso, migliorano la velocità delle connessioni luminose tra macchine diverse. Dunque, mandano con molta accuratezza e precisione più informazioni contemporaneamente. Allo stesso modo attivano sensori estremamente reattivi capaci di individuare particolari sostanze chimiche nell'aria o nel sangue.
Il team ha già dimostrato un’efficienza quantica esterna di picco superiore allo 0,6% per i loro LED NIR-II, un risultato estremamente promettente per un dispositivo di prima generazione, e ha identificato strategie chiare per ulteriori miglioramenti.
«Questo è solo l’inizio. Abbiamo sbloccato una classe completamente nuova di materiali per l’optoelettronica», ha aggiunto il dottor Yunzhou Deng, ricercatore post-dottorato al Cavendish Laboratory. «Il principio fondamentale è così versatile che ora possiamo esplorare innumerevoli combinazioni di molecole organiche e nanomateriali isolanti. Questo ci permetterà di creare dispositivi con proprietà su misura per applicazioni a cui non abbiamo nemmeno ancora pensato».
Questo lavoro è stato sostenuto in parte da un UK Research and Innovation (UKRI) Frontier Research Grant (EP/Y015584/1) e da Borse di Studio Individuali Post-dottorato (schema di finanziamento Marie Skłodowska-Curie Fellowship).
Riferimenti:
(1) Triplets electrically turn on insulating lanthanide-doped nanoparticles
(2) Akshay Rao
Descrizione foto: In questa opera d'arte fantasiosa, una nanoparticella drogata con lantanidi assume la forma di un ragno e la rete tessuta dal ragno è composta da acido 9-antracenecarbossilico, un'antenna organica progettata per intrappolare i portatori di carica e raccogliere in modo efficiente gli sfuggenti eccitoni molecolari “oscuri”. - Credit: Zhongzheng Yu.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Tiny antennas to bring electrical power to the un-powerable nanoparticles