Los científicos han desvelado una técnica que utiliza “antenas moleculares” para dirigir la energía eléctrica a nanopartículas aislantes. Este enfoque crea una nueva familia de LED de infrarrojo cercano ultrapuros que se pueden utilizar en diagnósticos médicos, sistemas de comunicación óptica y detectores sensibles.
Investigadores del Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge han descubierto cómo conducir una corriente eléctrica en materiales que normalmente no conducen, una hazaña que antes se creía imposible en condiciones normales. Al unir moléculas orgánicas cuidadosamente seleccionadas que actúan como pequeñas antenas, crearon los diodos emisores (LED) Prothom-alo a partir de aislantes de nanopartículas. Su trabajo, informes. la naturalezaapunta a una nueva generación de dispositivos para imágenes biomédicas de tejidos profundos y transmisión de datos de alta velocidad.
El equipo se centró en nanopartículas dopadas con lantánidos (LnNP), una clase muy conocida y valiosa para producir luz muy pura y estable. Estas nanopartículas son particularmente efectivas en la segunda región del infrarrojo cercano, capaz de penetrar profundamente en el tejido biológico. Sin embargo, hasta ahora su carácter aislante eléctrico no permitía integrarlos en componentes electrónicos estándar, como los LED.
“Estas nanopartículas son excelentes emisores de luz, pero no pudimos alimentarlas con electricidad. Ese fue un gran obstáculo que impidió su uso en la tecnología cotidiana”, dijo el profesor Akshay Rao, quien dirigió la investigación en el Laboratorio Cavendish. “Básicamente encontramos una puerta trasera para alimentarlas. Las biomoléculas actúan como antenas, capturando los portadores de carga y luego ‘susurrándolos’ a las nanopartículas a través de un proceso especial de transferencia de energía triple, que es sorprendentemente eficiente”.
Diseño híbrido orgánico-inorgánico con antenas moleculares.
Para superar el problema del aislamiento, los investigadores desarrollaron una estructura híbrida orgánico-inorgánica. Adjuntaron un tinte orgánico con un ancla de grupo funcional llamado ácido 9-antracenocarboxílico (9-ACA) a la superficie de las LnNP. En el nuevo LED, se inyectan cargas eléctricas en estas moléculas de 9-ACA, que actúan como una antena molecular en lugar de hacerlo directamente en las nanopartículas.
Una vez energizada, la molécula de 9-ACA entra en un estado triplete excitado. En muchos sistemas ópticos, este estado triplete se considera “oscuro”, lo que significa que su energía a menudo se pierde en lugar de convertirse en luz útil. Sin embargo, en este diseño, la energía del estado triplete se transfiere con una eficiencia superior al 98% a los iones de lantánido dentro de las nanopartículas aislantes, lo que hace que emitan luz con un brillo notable.
Luz ultrapura del infrarrojo cercano a bajo voltaje
Con este método, los “LnLED” del equipo se pueden encender con un voltaje de funcionamiento relativamente bajo, de unos 5 voltios. Al mismo tiempo producen electroluminiscencia con una anchura espectral extremadamente estrecha. Esto hace que la emisión sea mucho más pura que la de muchas tecnologías competidoras, incluidos los puntos cuánticos (QD).
“La pureza de la luz en la segunda ventana del infrarrojo cercano emitida por nuestros LnLED es una gran ventaja”, afirmó el Dr. Zhongzheng Yu, autor principal del estudio e investigador asociado postdoctoral en el Laboratorio Cavendish. “Para aplicaciones como la detección biomédica o la comunicación óptica, se necesita una longitud de onda específica y muy nítida. Nuestros dispositivos logran esto sin esfuerzo, lo que es muy difícil de lograr con otros materiales”.
Imágenes biomédicas, comunicaciones ópticas y potencial de detección
Debido a que estas nanopartículas eléctricamente conductoras pueden emitir una luz tan clara y bien definida, podrían formar la base de la tecnología médica avanzada. Pequeños LnLED, potencialmente integrados en dispositivos inyectables o portátiles, podrían usarse para obtener imágenes de tejidos profundos para encontrar cáncer, rastrear la función de los órganos en tiempo real o activar medicamentos activados por luz con alta precisión.
Su estrecha salida espectral los hace atractivos para las comunicaciones ópticas, donde las longitudes de onda puras y estables pueden ayudar a enviar más datos con menos interferencia. Además, esta plataforma puede soportar sensores altamente sensibles que detectan marcadores químicos o biológicos muy específicos, mejorando las herramientas de diagnóstico y monitoreo ambiental.
Rendimiento de primera generación y direcciones futuras
En pruebas preliminares, los investigadores lograron una eficiencia cuántica externa superior al 0,6% para sus LED NIR-II. Para un dispositivo de primera generación fabricado a partir de nanopartículas aislantes conductoras de electricidad, este rendimiento se considera muy prometedor. El equipo también identificó rutas claras para aumentar la eficiencia en diseños futuros.
“Esto es sólo el comienzo. Hemos desbloqueado una clase completamente nueva de materiales para la optoelectrónica”, añadió el Dr. Yunzhou Deng, investigador asociado postdoctoral en el Laboratorio Cavendish. “El principio básico es tan versátil que ahora podemos explorar innumerables combinaciones de biomoléculas y nanomateriales aislantes. Esto nos permitirá crear dispositivos con propiedades adecuadas para aplicaciones en las que aún no hemos pensado”.
Este trabajo fue financiado en parte por una beca de investigación fronteriza de investigación e innovación del Reino Unido (UKRI) (EP/Y015584/1) y una beca individual posdoctoral (programa de becas Marie Skłodowska-Curie).
