Επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ τροφοδότησαν με επιτυχία μονωτικά νανοσωματίδια χρησιμοποιώντας μοριακές κεραίες, αναπτύσσοντας ένα εξαιρετικά καθαρό LED εγγύς υπέρυθρης ακτινοβολίας. Τα αποτελέσματα αυτής της έρευνας, που δημοσιεύθηκαν στο τεύχος 19 Νοεμβρίου του *Φύση*, σηματοδοτούν τη δημιουργία μιας νέας κατηγορίας εξαιρετικά καθαρών LED εγγύς υπέρυθρης ακτινοβολίας με πιθανές εφαρμογές στην ιατρική διαγνωστική, τα συστήματα οπτικών επικοινωνιών και τις τεχνολογίες ανίχνευσης. Η ερευνητική ομάδα στο Εργαστήριο Κάβεντις στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ επικεντρώνεται στη μελέτη νανοοπτοηλεκτρονικών υλικών και συσκευών.
Η ερευνητική ομάδα ανακάλυψε ότι συνδέοντας οργανικά μόρια, συγκεκριμένα 9-ανθρακενοκαρβοξυλικό οξύ (9-ACA), σε νανοσωματίδια σπάνιων γαιών (LnNPs) με προσμίξεις δημητρίου, αυτά τα μόρια λειτουργούν ως μικροσκοπικές κεραίες, μεταφέροντας αποτελεσματικά ηλεκτρική ενέργεια σε αυτά τα συνήθως μη αγώγιμα σωματίδια. Αυτή η καινοτόμος μέθοδος επιτρέπει σε αυτά τα νανοσωματίδια, τα οποία εδώ και καιρό είναι ασύμβατα με ηλεκτρονικά εξαρτήματα, να εκπέμπουν φως για πρώτη φορά.
Ο πυρήνας της έρευνας έγκειται στα νανοσωματίδια με πρόσμιξη δημητρίου (LnNPs), μια κατηγορία υλικών γνωστών για την παραγωγή εξαιρετικά καθαρού και σταθερού φωτός, ιδιαίτερα στη δεύτερη περιοχή εγγύς υπέρυθρης ακτινοβολίας, τα οποία μπορούν να διεισδύσουν σε πυκνούς βιολογικούς ιστούς. Παρά τα πλεονεκτήματα αυτά, η έλλειψη ηλεκτρικής αγωγιμότητας τους έχει εμποδίσει εδώ και καιρό τη χρήση τους σε ηλεκτρονικά εξαρτήματα όπως τα LED.
Η ερευνητική ομάδα έλυσε αυτό το πρόβλημα αναπτύσσοντας ένα υβριδικό υλικό που συνδυάζει οργανικά και ανόργανα συστατικά. Προσέδεσαν οργανικές χρωστικές ουσίες που περιείχαν λειτουργικές ομάδες αγκύρωσης στην εξωτερική επιφάνεια των LnNPs. Στο κατασκευασμένο LED, το φορτίο οδηγείται στα μόρια 9-ACA, τα οποία λειτουργούν ως μοριακές κεραίες, αντί να μεταφέρεται απευθείας στα νανοσωματίδια.
Μόλις ενεργοποιηθούν, αυτά τα μόρια εισέρχονται σε διεγερμένη τριπλή κατάσταση. Σε πολλά οπτικά συστήματα, αυτή η τριπλή κατάσταση θεωρείται συνήθως ως κατάσταση ηηηηη σκοτεινό και δεν χρησιμοποιείται. Ωστόσο, σε αυτό το σχέδιο, πάνω από το 98% της ενέργειας μεταφέρεται από την τριπλή κατάσταση στα ιόντα δημητρίου εντός των μονωτικών νανοσωματιδίων, με αποτέλεσμα φωτεινή και αποτελεσματική εκπομπή φωτός. Αυτή η νέα μέθοδος επιτρέπει στα LnLED της ομάδας να λειτουργούν σε χαμηλή τάση περίπου 5 βολτ και να παράγουν ηλεκτροφωταύγεια με εξαιρετικά στενό φασματικό πλάτος και μέγιστη εξωτερική κβαντική απόδοση που υπερβαίνει το 0,6%, καθιστώντας τα σημαντικά ανώτερα από ανταγωνιστικές τεχνολογίες όπως οι κβαντικές κουκκίδες.
Αυτή η ανακάλυψη ανοίγει ένα ευρύ φάσμα πιθανών εφαρμογών για μελλοντικές ιατρικές συσκευές. Μικροσκοπικά, ενέσιμα ή φορετά LnLED θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για απεικόνιση βαθέων ιστών για την ανίχνευση ασθενειών όπως ο καρκίνος, την παρακολούθηση της λειτουργίας των οργάνων σε πραγματικό χρόνο ή την ακριβή ενεργοποίηση φωτοευαίσθητων φαρμάκων. Η καθαρότητα και το στενό φασματικό πλάτος του εκπεμπόμενου φωτός προσφέρουν επίσης υπόσχεση για ταχύτερα και καθαρότερα συστήματα οπτικής επικοινωνίας, οδηγώντας ενδεχομένως σε πιο αποτελεσματική μετάδοση δεδομένων με λιγότερες παρεμβολές.