Los científicos han desarrollado una nueva y sorprendente forma en que la electricidad normalmente no puede conducir la electricidad, abriendo la puerta a una nueva generación de LED ultrapuros del infrarrojo cercano para imágenes médicas, tecnología de comunicaciones y sensores avanzados.
El avance se basa en pequeñas “antenas moleculares” que canalizan la energía eléctrica hacia aislantes de nanopartículas. Utilizando este método, investigadores del Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge han creado los primeros LED fabricados a partir de estos materiales hasta ahora “impotentes”.
Sus hallazgos fueron publicados la naturaleza.
Las antenas moleculares alimentan nanopartículas aislantes
Los centros de investigación se centran en nanopartículas dopadas con lantánidos (LnNP), materiales que se sabe que producen luz notablemente estable y de gran pureza. Son particularmente valiosos porque emiten luz en la segunda región del infrarrojo cercano, que puede penetrar profundamente en el tejido biológico. Esto los hace atractivos para las tecnologías de detección e imágenes médicas.
A pesar de sus ventajas ópticas, estas nanopartículas tienen un gran inconveniente. Son aislantes eléctricos, lo que significa que no pueden transportar corriente eléctrica fácilmente. Esta limitación ha impedido que los científicos lo utilicen en dispositivos electrónicos como los LED.
Los investigadores de Cambridge han encontrado una manera de sortear esa barrera, que antes se pensaba que era imposible en condiciones normales. Al unir biomoléculas especialmente seleccionadas a nanopartículas, el equipo creó un sistema capaz de transferir energía eléctrica a materiales aislantes.
“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”.
Los LED híbridos orgánicos logran una transferencia de energía de más del 98%
Para que la tecnología funcione, los científicos han desarrollado un material híbrido que combina moléculas orgánicas con nanopartículas inorgánicas. Adjuntaron un tinte orgánico llamado ácido 9-antracenocarboxílico (9-ACA) a la superficie de las LnNP.
Dentro del LED de nuevo diseño, las cargas eléctricas se dirigen a moléculas de 9-ACA en lugar de nanopartículas. Estas moléculas actúan como antenas moleculares que absorben la energía entrante y entran en un “estado triplete” excitado.
En muchos sistemas ópticos, los estados tripletes se consideran “oscuros” porque a menudo se pierde su energía. Sin embargo, en este nuevo diseño, la energía triplete se transfiere a los iones de lantánido dentro de las nanopartículas con una eficiencia superior al 98%. Este proceso hace que las nanopartículas aislantes emitan una luz brillante y de gran pureza.
LED infrarrojos cercanos ultrapuros con bajo consumo de energía
Los dispositivos resultantes, conocidos como “LnLED”, funcionan a voltajes relativamente bajos, de aproximadamente 5 voltios. Producen electroluminiscencia con un ancho espectral extremadamente estrecho, lo que les proporciona una salida de luz mucho más pura que tecnologías competidoras como 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”.
Potencial de comunicación óptica y de imágenes médicas.
La tecnología podría conducir a una amplia gama de aplicaciones futuras. Debido a que los LED emiten luz infrarroja cercana de gran pureza, podrían habilitar nuevos dispositivos médicos capaces de ver el interior del cuerpo.
Pequeños LnLED inyectables o portátiles podrían ayudar a los médicos a detectar cáncer, monitorear órganos en tiempo real o activar medicamentos sensibles a la luz con una precisión excepcional.
La emisión de luz estrecha y estable puede mejorar los sistemas de comunicación óptica al reducir la interferencia y permitir que mayores cantidades de datos viajen de manera más clara y eficiente. Además, la tecnología puede admitir detectores altamente sensibles capaces de detectar marcadores químicos o biológicos específicos.
Los dispositivos de primera generación ya muestran buenos resultados
El equipo de investigación ya ha logrado una eficiencia cuántica externa de más del 0,6% para su LED NIR-II, un resultado impresionante para un dispositivo de primera generación. Los científicos también dicen que hay caminos claros para mejorar aún más el rendimiento.
“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”.
El trabajo recibió apoyo parcial de una beca de investigación fronteriza de investigación e innovación del Reino Unido (UKRI) (EP/Y015584/1) y una beca individual posdoctoral (programa de becas de becas Marie Skłodowska-Curie).
