Вчені з Університету Кюсю представили органічну молекулу, що поєднує в собі дві раніше несумісні якості — виняткову ефективність випромінювання світла і здатність до глибокого поглинання без пошкодження живих тканин. Така комбінація відкриває перспективи для технологій, які одночасно можуть працювати у споживчій електроніці та медицині — від яскравих та економічних OLED-дисплеїв до високоточної неінвазивної діагностики.
OLED-екрани, які використовуються сьогодні в смартфонах, телевізорах і електроніці, що носиться, все частіше вдосконалюють за допомогою механізму термічно активованої затриманої флуоресценції (TADF). Він дозволяє перетворювати енергію триплетних станів, що зазвичай втрачається марно, на світіння синглетних станів, використовуючи тепло навколишнього середовища. Це дає яскравіше зображення при меншому споживанні енергії.
У медичній візуалізації для роботи з глибокими шарами тканин застосовують інший підхід — двофотонне поглинання (2PA). Воно дозволяє молекулі поглинати два фотони меншої енергії одночасно, що зменшує розсіювання світла та мінімізує теплове пошкодження клітин. Порушення відбувається строго у фокусі лазера, що забезпечує високу чіткість та безпеку знімків.
Проблема в тому, що сильний TADF та висока 2PA вимагають протилежних властивостей молекулярної архітектури. Для TADF потрібна скручена структура з рознесеними орбіталями електрона, а для 2PA — плоска з максимальним перекриттям. Ці вимоги довго заважали створити універсальний матеріал.
Команда під керівництвом Юхея Читосе розробила CzTRZCN — молекулу, яка поєднує електронно-надлишковий карбазольний фрагмент та електронно-дефіцитне триазинове ядро, доповнені ціаногрупами для тонкого настроювання орбітального розподілу. Така конфігурація працює як перемикач: при поглинанні світла молекула зберігає перекриття орбіталей, забезпечуючи ефективне двофотонне поглинання, а після збудження змінює структуру, розділяючи орбіталі для TADF-свічення.
Теоретичні розрахунки та експерименти підтвердили, що CzTRZCN успішно поєднує обидві функції. У складі OLED-пристрою вона досягла зовнішньої квантової ефективності 13,5% – рекордного значення для TADF-матеріалів на основі тріазину. Одночасно було зафіксовано високу 2PA-секцію та інтенсивне світіння, що робить молекулу перспективною для біомедичної візуалізації.
Ще однією перевагою CzTRZCN стала її органічна, безметалова природа та низька токсичність, що робить матеріал біосумісним та придатним для застосування у медичних зондах та датчиках. Особливо корисним він може виявитися в методах тимчасово дозволеної флуоресцентної мікроскопії.
Автори дослідження вважають, що запропонована стратегія – створення молекул з різним орбітальним пристроєм для фаз поглинання та випромінювання – може стати основою для розробки цілого класу багатофункціональних матеріалів, не обмежених сферою медицини чи дисплеїв. У планах команди — розширити діапазон довжин хвиль, що випромінюються, і налагодити співпрацю з інженерами в галузі біомедичної та електроніки. Серед можливих напрямів – сенсори, що працюють на тілі, удосконалені OLED-панелі та системи діагностики in vivo.
Більше цікавого:
- «Цікава наука»: чому до тефлону нічого не прилипає
- У Гарварді створили «розумну» рідину властивості якої можна програмувати
- Наука в кіно — як зображають на екрані досліди над людьми
Джерело: Wiley Advanced