Lanci spojenih prstenova koji sadrže ugljenik imaju jedinstvena optoelektronska svojstva koja ih čine korisnim kao poluprovodnici. Ovi lanci, poznati kao aceni, takođe se mogu podesiti da emituju različite boje svetlosti, što ih čini dobrim kandidatima za upotrebu u organskim svetlećim diodama.
Boja svetlosti koju emituje acen određena je njegovom dužinom, ali kako molekuli postaju duži, oni takođe postaju manje stabilni, što je ometalo njihovu široku upotrebu u aplikacijama koje emituju svetlost.
Hemičari sa MIT-a su sada smislili način da učine ove molekule stabilnijima, omogućavajući im da sintetišu acene različitih dužina. Koristeći svoj novi pristup, uspeli su da naprave molekule koji emituju crvenu, narandžastu, žutu, zelenu ili plavu svetlost, što bi moglo da olakša primenu acena u različitim aplikacijama.
„Ova klasa molekula, uprkos njihovoj korisnosti, ima izazove u pogledu profila njihove reaktivnosti“, kaže Robert Gilliard, Novartis vanredni profesor hemije na MIT-u i stariji autor nove studije. „Ono što smo prvo pokušali da se pozabavimo u ovoj studiji je problem stabilnosti, a drugo, želeli smo da napravimo jedinjenja u kojima biste mogli da imate podesivi opseg emisije svetlosti.“
Istraživač MIT Chun-Lin Deng je vodeći autor rada, koji se pojavljuje u Nature Chemistri.
Aceni se sastoje od molekula benzena – prstenova napravljenih od ugljenika i vodonika – spojenih na linearan način. Pošto su bogati elektronima koji se mogu deliti i mogu efikasno da prenose električni naboj, korišćeni su kao poluprovodnici i tranzistori sa efektom polja (tranzistori koji koriste električno polje za kontrolu toka struje u poluprovodniku).
Nedavni radovi su pokazali da aceni u kojima su neki od atoma ugljenika zamenjeni, ili „dopirani,“ sa borom i azotom imaju još korisnija elektronska svojstva. Međutim, kao i tradicionalni aceni, ovi molekuli su nestabilni kada su izloženi vazduhu ili svetlosti.
Često, aceni moraju da se sintetišu u zatvorenom kontejneru koji se zove pretinac za rukavice kako bi se zaštitili od izlaganja vazduhu, što može dovesti do njihovog raspadanja. Što su aceni duži, to su podložniji neželjenim reakcijama izazvanim kiseonikom, vodom ili svetlošću.
Da bi pokušao da acene učini stabilnijima, Gilliard je odlučio da koristi ligand sa kojim je njegova laboratorija ranije radila, poznat kao karbodikarbeni. U studiji objavljenoj prošle godine, koristili su ovaj ligand za stabilizaciju jona borafluorenijuma, organskih jedinjenja koja mogu da emituju različite boje svetlosti kao odgovor na promene temperature.
Za ovu studiju, Gilliard i njegovi koautori razvili su novu sintezu koja im je omogućila da dodaju karbodikarbene acenima koji su takođe dopirani borom i azotom. Sa dodatkom novog liganda, aceni su postali pozitivno naelektrisani, što je poboljšalo njihovu stabilnost i dalo im jedinstvena elektronska svojstva.
Koristeći ovaj pristup, istraživači su stvorili acene koji proizvode različite boje, u zavisnosti od njihove dužine i vrsta hemijskih grupa vezanih za karbodikarben. Do sada je većina sintetizovanih acena dopiranih borom i azotom mogla da emituje samo plavo svetlo.
„Crvena emisija je veoma važna za širok spektar aplikacija, uključujući biološke aplikacije kao što je slikanje“, kaže Gilijard. „Mnogo ljudskog tkiva emituje plavo svetlo, tako da je teško koristiti plavo-fluorescentne sonde za snimanje, što je jedan od mnogih razloga zašto ljudi traže crvene emitere.
Još jedna važna karakteristika ovih acena je da ostaju stabilni i u vazduhu i u vodi. Naelektrisani molekuli koji sadrže bor sa niskim koordinacionim brojem (što znači da centralni atom bora ima nekoliko suseda) su često veoma nestabilni u vodi, tako da je stabilnost acena u vodi primetna i može da učini izvodljivim da se koriste za snimanje i druge medicinske primene .
„Jedan od razloga zašto smo uzbuđeni zbog klase jedinjenja o kojoj izveštavamo u ovom radu je to što se mogu suspendovati u vodi. To otvara širok spektar mogućnosti“, kaže Gilijard.
Istraživači sada planiraju da pokušaju da ugrade različite tipove karbodikarbena kako bi videli da li mogu da stvore dodatne acene sa još boljom stabilnošću i kvantnom efikasnošću (mera koliko svetlosti se emituje iz materijala).
„Mislimo da će biti moguće napraviti mnogo različitih derivata koje još nismo ni sintetizovali“, kaže Gilijard. „Postoji mnogo optoelektronskih svojstava koja se mogu birati u kojima tek treba da istražimo, a takođe smo uzbuđeni zbog toga.“
Gilijard takođe planira da sarađuje sa Markom Baldom, profesorom elektrotehnike na MIT-u, kako bi pokušao da ugradi nove acene u tip solarne ćelije poznat kao solarna ćelija zasnovana na jednoj fisiji. Ova vrsta solarne ćelije može proizvesti dva elektrona iz jednog fotona, čineći ćeliju mnogo efikasnijom.
Ove vrste jedinjenja bi se takođe mogle razviti za upotrebu kao diode koje emituju svetlost za televizijske i kompjuterske ekrane, kaže Gilijard. Organske diode koje emituju svetlost su lakše i fleksibilnije od tradicionalnih LED dioda, proizvode svetlije slike i troše manje energije.
„Još uvek smo u vrlo ranim fazama razvoja specifičnih aplikacija, bilo da se radi o organskim poluprovodnicima, uređajima koji emituju svetlost ili solarnim ćelijama zasnovanim na singletnoj fisiji, ali zbog njihove stabilnosti, proizvodnja uređaja bi trebalo da bude mnogo glatkija od tipične. za ove vrste jedinjenja“, kaže Gilijard.
„Kombinovanjem reaktivnog zervalentnog ugljenika i katjonskih vrsta bora, ovaj kreativni rad sa netradicionalnom paradigmom sigurno utire obećavajući put ka razvoju visoko- i foto stabilnih materijala koji emituju svetlost i minijaturnih uređaja za prikupljanje energije“, kaže Tiov-Gan Ong , zamenik direktora Instituta za hemiju na Academia Sinica u Kini, koji nije bio uključen u istraživanje.
