Kemikere skaber organiske molekyler i en regnbue af farver, der kunne være nyttige som organiske lysemitterende dioder

Kæder af smeltede kulstofholdige ringe har unikke optoelektroniske egenskaber, der gør dem nyttige som halvledere. Disse kæder, kendt som acener, kan også tunes til at udsende forskellige farver af lys, hvilket gør dem til gode kandidater til brug i organiske lysdioder.

Farven på lys, der udsendes af en acene, bestemmes af dens længde, men efterhånden som molekylerne bliver længere, bliver de også mindre stabile, hvilket har hindret deres udbredte anvendelse i lys-emitterende applikationer.

MIT-kemikere har nu fundet på en måde at gøre disse molekyler mere stabile, så de kan syntetisere acener af varierende længde. Ved at bruge deres nye tilgang var de i stand til at bygge molekyler, der udsender rødt, orange, gult, grønt eller blåt lys, hvilket kunne gøre acener lettere at implementere i en række forskellige applikationer.

"Denne klasse af molekyler har, på trods af deres anvendelighed, udfordringer med hensyn til deres reaktivitetsprofil," siger Robert Gilliard, Novartis-lektor i kemi ved MIT og seniorforfatter af det nye studie. "Det, vi forsøgte at adressere i denne undersøgelse, var først stabilitetsproblemet, og for det andet ønskede vi at lave forbindelser, hvor du kunne have en justerbar række af lysemission."

MIT-forsker Chun-Lin Deng er hovedforfatter af papiret, som vises i Nature Chemistry .

Farverige molekyler

Acener består af benzenmolekyler - ringe lavet af kulstof og brint - smeltet sammen på en lineær måde. Fordi de er rige på delbare elektroner og effektivt kan transportere en elektrisk ladning, er de blevet brugt som halvledere og felteffekttransistorer (transistorer, der bruger et elektrisk felt til at styre strømstrømmen i en halvleder).

Nyligt arbejde har vist, at acener, hvor nogle af kulstofatomerne er erstattet eller "dopet" med bor og nitrogen, har endnu mere nyttige elektroniske egenskaber. Men ligesom traditionelle acener er disse molekyler ustabile, når de udsættes for luft eller lys.

Ofte skal acener syntetiseres i en forseglet beholder kaldet en handskeboks for at beskytte dem mod luftpåvirkning, hvilket kan få dem til at bryde ned. Jo længere acenerne er, jo mere modtagelige er de over for uønskede reaktioner initieret af ilt, vand eller lys.

For at forsøge at gøre acener mere stabile besluttede Gilliard at bruge en ligand, som hans laboratorium tidligere har arbejdet med, kendt som carbodicarbener. I en undersøgelse offentliggjort sidste år brugte de denne ligand til at stabilisere borafluoreniumioner, organiske forbindelser, der kan udsende forskellige farver af lys som reaktion på temperaturændringer.

Til denne undersøgelse udviklede Gilliard og hans medforfattere en ny syntese, der gjorde det muligt for dem at tilføje carbodicarbener til acener, der også er dopet med bor og nitrogen. Med tilføjelsen af ​​den nye ligand blev acenerne positivt ladet, hvilket forbedrede deres stabilitet og også gav dem unikke elektroniske egenskaber.

Ved hjælp af denne tilgang skabte forskerne acener, der producerer forskellige farver, afhængigt af deres længde og typerne af kemiske grupper knyttet til carbodicarbenet. Indtil nu kunne de fleste af de bor, nitrogen-doterede acener, der var blevet syntetiseret, kun udsende blåt lys.

"Rød emission er meget vigtig for vidtgående applikationer, herunder biologiske applikationer som billeddannelse," siger Gilliard. "Meget menneskeligt væv udsender blåt lys, så det er svært at bruge blå-fluorescerende prober til billeddannelse, hvilket er en af ​​de mange grunde til, at folk leder efter røde emittere."

Bedre stabilitet

Et andet vigtigt træk ved disse acener er, at de forbliver stabile i både luft og vand. Borholdige ladede molekyler med et lavt koordinationstal (hvilket betyder, at det centrale boratom har få naboer) er ofte meget ustabile i vand, så acenes stabilitet i vand er bemærkelsesværdig og kunne gøre det muligt at bruge dem til billeddannelse og andre medicinske anvendelser .

"En af grundene til, at vi er begejstrede for den klasse af forbindelser, som vi rapporterer i dette papir, er, at de kan suspenderes i vand. Det åbner op for en bred vifte af muligheder," siger Gilliard.

Forskerne planlægger nu at prøve at inkorporere forskellige typer carbodicarbener for at se, om de kan skabe yderligere acener med endnu bedre stabilitet og kvanteeffektivitet (et mål for, hvor meget lys der udsendes fra materialet).

"Vi tror, ​​det vil være muligt at lave en masse forskellige derivater, som vi ikke engang har syntetiseret endnu," siger Gilliard. "Der er en masse optoelektroniske egenskaber, der kan indtastes, som vi endnu ikke har udforsket, og det er vi også begejstrede for."

Gilliard har også planer om at arbejde sammen med Marc Baldo, en MIT-professor i elektroteknik, for at prøve at inkorporere de nye acener i en type solcelle kendt som en single-fission-baseret solcelle. Denne type solcelle kan producere to elektroner fra én foton, hvilket gør cellen meget mere effektiv.

Disse typer forbindelser kan også udvikles til brug som lysdioder til tv- og computerskærme, siger Gilliard. Organiske lysemitterende dioder er lettere og mere fleksible end traditionelle LED'er, producerer lysere billeder og bruger mindre strøm.

"Vi er stadig i de meget tidlige stadier af udviklingen af ​​de specifikke applikationer, hvad enten det er organiske halvledere, lysemitterende enheder eller singlet-fission-baserede solceller, men på grund af deres stabilitet bør enhedsfabrikationen være meget mere jævn end normalt. for den slags forbindelser," siger Gilliard.

"Ved at kombinere reaktive nulvalent kulstof og kationiske borarter baner dette kreative arbejde med et utraditionelt paradigme bestemt en lovende vej mod udviklingen af ​​meget luft- og fotostabile lysemitterende materialer og miniature energihøstanordninger," siger Tiow-Gan Ong. , vicedirektør for Institute of Chemistry ved Academia Sinica i Kina, som ikke var involveret i forskningen.

Flere oplysninger: Chun-Lin Deng et al., Luft- og fotostabile luminescerende carbodicarbene-azaboraaceniumioner, Nature Chemistry (2023). DOI:10.1038/s41557-023-01381-0

Journaloplysninger: Naturkemi

Leveret af Massachusetts Institute of Technology

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.