Roterende molekyler skaber en lysere fremtid

Forskere har opdaget en gruppe materialer, der kunne bane vejen for en ny generation af højeffektiv belysning, at løse et problem, der har hæmmet displayteknologiens ydeevne i årtier. Udviklingen af ​​energibesparende koncepter i display- og belysningsapplikationer er et stort fokus for forskning, da en femtedel af verdens elektricitet bruges til at generere lys.

Skriver ind Videnskab denne uge, holdet, fra University of Cambridge, University of East Anglia og University of Eastern Finland, beskriver, hvordan den udviklede en ny type materiale, der bruger roterbare molekyler til at udsende lys hurtigere end nogensinde er opnået før. Det kan føre til fjernsyn, smarttelefonskærme og rumlys, der er mere strømeffektive, lysere og længerevarende end dem, der i øjeblikket er på markedet.

Kontaktforfatter, Dr. Dan Credgington, fra University of Cambridge's Cavendish Laboratory, siger:"Det er forbløffende, at den allerførste demonstration af denne nye slags materiale allerede slår effektiviteten af ​​teknologier, der har taget årtier at udvikle. Hvis den effekt, vi har opdaget, kan udnyttes på tværs af spektret, det kan ændre den måde, vi genererer lys på. "

Molekylære materialer er drivkraften bag moderne organiske lysemitterende dioder (OLED'er). Opfundet i 1980'erne, disse enheder udsender lys, når der påføres elektricitet til de organiske (kulstofbaserede) molekyler i dem. OLED -belysning bruges nu meget i fjernsyn, computere og mobiltelefoner. Det skal dog overvinde et grundlæggende problem, der har begrænset effektivitet, når det kommer til at konvertere elektrisk energi til lys.

At føre en elektrisk strøm gennem disse molekyler sætter dem i en ophidset tilstand, men kun 25% af disse er 'lyse' tilstande, der hurtigt kan udsende lys. De resterende 75% er 'mørke' tilstande, der normalt spilder deres energi som varme, hvilket begrænser effektiviteten af ​​OLED -enheden. Denne driftsmåde producerer mere varme end lys ligesom i en gammeldags glødelampe. Den underliggende årsag er en kvanteegenskab kaldet 'spin', og de mørke tilstande har den forkerte type.

En tilgang til at tackle dette problem er at bruge sjældne elementer, såsom iridium, som hjælper de mørke stater med at udsende lys ved at lade dem ændre deres spin. Problemet er, at denne proces tager for lang tid, så energien bundet i de mørke tilstande kan bygge op til skadelige niveauer og gøre OLED ustabil. Denne effekt er et sådant problem for blå emitterende materialer (blåt lys har den højeste energi af alle farverne), at, i praksis, metoden kan ikke bruges.

Kemikere ved University of East Anglia har nu udviklet en ny type materiale, hvor to forskellige organiske molekyler er forbundet med et atom af kobber eller guld. Den resulterende struktur ligner lidt en propel. Forbindelserne, som kan fremstilles ved en enkel one-pot procedure fra let tilgængelige materialer, viste sig at være overraskende selvlysende. Ved at rotere deres "propel", mørke tilstande dannet på disse materialer bliver snoede, hvilket giver dem mulighed for hurtigt at ændre deres spin. Processen øger signifikant den hastighed, hvormed elektrisk energi omdannes til lys, hvilket opnår en effektivitet på næsten 100% og forhindrer skadelig opbygning af mørke tilstande.

Dr. Dawei Di og Dr. Le Yang, fra Cambridge, var medledere, sammen med Dr. Alexander Romanov, fra UEA. Han siger:

"Vores opdagelse af, at simple forbindelser af kobber og guld kan bruges som lyse og effektive materialer til OLED'er, demonstrerer, hvordan kemi kan bringe håndgribelige fordele for samfundet. Alle tidligere forsøg på at bygge OLED'er baseret på disse metaller har kun medført middelmådig succes. Problemet er at disse materialer krævede, at de sofistikerede organiske molekyler blev bundet med kobber, men ikke har opfyldt industrielle standarder. Vores resultater løser en løbende forsknings- og udviklingsudfordring, som kan bringe overkommelige højteknologiske OLED-produkter til ethvert hjem. "

Computational modellering spillede en stor rolle i afdækningen af ​​denne nye måde at udnytte intramolekylære vridningsbevægelser til energiomsætning på.

Professor Mikko Linnolahti, fra University of Eastern Finland, hvor dette blev gjort, kommentarer:

"Dette arbejde danner casestudie for, hvordan vi kan forklare principperne bag funktionen af ​​disse nye materialer og deres anvendelse i OLEDS."

Det næste trin er at designe nye molekyler, der drager fuld fordel af denne mekanisme, med det ultimative mål at fjerne behovet for sjældne elementer helt. Dette ville løse det længste problem på området - hvordan man laver OLED'er uden at skulle bytte mellem effektivitet og stabilitet.

Medlederforfatter, Dr. Dawei Di, fra Cavendish Laboratory, siger:

"Vores arbejde viser, at spin-exciteret tilstand og molekylær bevægelse kan arbejde sammen for stærkt at påvirke OLED'ernes ydeevne. Dette er en glimrende demonstration af, hvordan kvantemekanik, en vigtig gren af ​​grundvidenskab, kan have direkte konsekvenser for en kommerciel applikation, der har et massivt globalt marked. "