В статье для журнала Science на этой неделе команда из Кембриджского университета, Университета Восточной Англии и Университета Восточной Финляндии описывает, как они разработали новый тип материала, в котором используются вращающиеся молекулы для излучения света быстрее, чем когда-либо ранее. Это может привести к появлению телевизоров, дисплеев для смартфонов и комнатного освещения, которые будут более энергоэффективными, яркими и долговечными, чем те, которые в настоящее время представлены на рынке.
Автор-корреспондент, доктор Дэн Креджингтон из Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, говорит: «Удивительно, что самая первая демонстрация этого нового типа материала уже превосходит характеристики технологий, на разработку которых потребовались десятилетия. Если эффект, который мы обнаружили, можно использовать по всему спектру, он может изменить способ генерации света."
Молекулярные материалы — движущая сила современных органических светодиодов (OLED). Изобретенные в 1980-х годах, эти устройства излучают свет, когда электричество применяется к органическим (углеродным) молекулам в них.
Освещение OLED теперь широко используется в телевизорах, компьютерах и мобильных телефонах. Однако он должен решить фундаментальную проблему, которая имеет ограниченную эффективность, когда дело доходит до преобразования электрической энергии в свет.
Прохождение электрического тока через эти молекулы переводит их в возбужденное состояние, но только 25% из них являются «яркими» состояниями, которые могут быстро излучать свет. Остальные 75% — это «темные» состояния, которые обычно тратят свою энергию на тепло, ограничивая эффективность OLED-устройства.
В этом режиме работы выделяется больше тепла, чем света, как в старой лампочке накаливания. Основная причина — квантовое свойство, называемое « спином », и темные состояния имеют неправильный тип.
Один из подходов к решению этой проблемы — использование редких элементов, таких как иридий, которые помогают темным состояниям излучать свет, позволяя им изменять свое вращение. Проблема в том, что этот процесс занимает слишком много времени, поэтому энергия, связанная в темных состояниях, может накапливаться до разрушительного уровня и сделать OLED нестабильным. Этот эффект является такой проблемой для материалов, излучающих синий цвет (синий свет имеет самую высокую энергию из всех цветов), что на практике этот подход не может быть использован.
Химики из Университета Восточной Англии разработали новый тип материала, в котором две разные органические молекулы соединены вместе атомом меди или золота. Получившаяся конструкция немного похожа на пропеллер. Было обнаружено, что соединения, которые могут быть получены с помощью простой процедуры в одной емкости из легко доступных материалов, обладают удивительной люминесцентностью.
Вращая их "пропеллер", темные состояния, образованные на этих материалах, становятся скрученными, что позволяет им быстро менять свое вращение. Процесс значительно увеличивает скорость, с которой электрическая энергия преобразуется в свет, достигая почти 100% эффективности и предотвращая разрушительное нарастание темных состояний.
Д-р Давэй Ди и д-р Ле Янг из Кембриджа были соавторами вместе с д-ром Александром Романовым из UEA. Он говорит:
"Наше открытие того, что простые соединения меди и золота могут использоваться в качестве ярких и эффективных материалов для OLED-дисплеев, демонстрирует, как химия может принести обществу ощутимую пользу.
Все предыдущие попытки построить OLED на основе этих металлов привели лишь к посредственному успеху. Проблема в том, что эти материалы требовали, чтобы сложные органические молекулы были связаны с медью, но не соответствовали промышленным стандартам.
Наши результаты направлены на решение текущих задач исследований и разработок, которые могут принести доступные высокотехнологичные OLED-продукты в каждый дом."
Вычислительное моделирование сыграло важную роль в раскрытии этого нового способа использования внутримолекулярных скручивающих движений для преобразования энергии.
Профессор Микко Линнолахти из Университета Восточной Финляндии, где это было сделано, комментирует:
«Эта работа является примером того, как мы можем объяснить принципы функционирования этих новых материалов и их применения в OLEDS."
Следующим шагом является разработка новых молекул, которые в полной мере используют этот механизм, с конечной целью полностью устранить потребность в редких элементах.
Это решило бы самую давнюю проблему в этой области — как создавать OLED-светодиоды без необходимости идти на компромисс между эффективностью и стабильностью.
Со-ведущий автор, доктор Давэй Ди из Кавендишской лаборатории, говорит:
«Наша работа показывает, что спин в возбужденном состоянии и движение молекул могут работать вместе, чтобы сильно повлиять на производительность OLED. Это отличная демонстрация того, как квантовая механика, важная отрасль фундаментальной науки, может иметь прямые последствия для коммерческого приложения, имеющего огромный мировой рынок."