Gli scienziati dell’Università di Cambridge hanno realizzato ciò che un tempo era considerato impossibile: alimentare elettricamente nanoparticelle isolanti per creare un tipo di LED completamente nuovo. Utilizzando minuscole “antenne molecolari” organiche, il team ha trovato un modo per convogliare l’energia in materiali che normalmente non conducono elettricità, producendo luce infrarossa ultrapura con un’efficienza straordinaria.
Gli scienziati hanno sviluppato un nuovo e sorprendente metodo per alimentare materiali che normalmente non conducono elettricità, aprendo la strada a una nuova generazione di LED a infrarossi ultrapuri per la diagnostica per immagini in ambito medico, le tecnologie di comunicazione e i sensori avanzati.
La svolta si basa su minuscole “antenne molecolari” che convogliano l’energia elettrica in nanoparticelle isolanti. Utilizzando questo metodo, i ricercatori del Cavendish Laboratory dell’Università di Cambridge hanno creato i primi LED mai realizzati con questi materiali, precedentemente considerati “non alimentabili”.
I loro risultati sono stati pubblicati su Nature .
Antenne molecolari Nanoparticelle isolanti di potenza
La ricerca si concentra sulle nanoparticelle drogate con lantanidi (LnNP), materiali noti per la loro capacità di produrre luce eccezionalmente stabile e pura. Sono particolarmente preziose perché emettono luce nella seconda regione del vicino infrarosso, che può penetrare in profondità nei tessuti biologici. Ciò le rende interessanti per le tecnologie di imaging e rilevamento in ambito medico.
Nonostante i loro vantaggi ottici, queste nanoparticelle presentano un grave inconveniente: sono isolanti elettrici, ovvero non possono condurre facilmente corrente elettrica. Questa limitazione ha impedito agli scienziati di utilizzarle in dispositivi elettronici come i LED.
I ricercatori di Cambridge hanno trovato un modo per superare questo ostacolo, un’impresa precedentemente ritenuta impossibile in condizioni normali. Attaccando molecole organiche appositamente selezionate alle nanoparticelle, il team ha creato un sistema in grado di trasferire energia elettrica nel materiale isolante.
“Queste nanoparticelle sono fantastiche emettitrici di luce, ma non potevamo alimentarle elettricamente. Questo rappresentava un ostacolo importante che ne impediva l’utilizzo nella tecnologia di tutti i giorni”, ha affermato il professor Akshay Rao, che ha guidato la ricerca presso il Cavendish Laboratory. “Abbiamo essenzialmente trovato una scorciatoia per alimentarle. Le molecole organiche agiscono come antenne, catturando i portatori di carica e ‘trasmettendoli’ alla nanoparticella attraverso uno speciale processo di trasferimento di energia a tripletto, che è sorprendentemente efficiente.”
I LED ibridi organici raggiungono un trasferimento di energia superiore al 98%.
Per far funzionare la tecnologia, gli scienziati hanno creato un materiale ibrido che combina molecole organiche con nanoparticelle inorganiche. Hanno poi legato un colorante organico chiamato acido 9-antracenecarbossilico (9-ACA) alla superficie delle LnNP.
All’interno dei LED di nuova concezione, le cariche elettriche vengono dirette verso le molecole di 9-ACA anziché verso le nanoparticelle stesse. Queste molecole agiscono come antenne molecolari che assorbono l’energia in ingresso ed entrano in uno stato eccitato di “tripletto”.
In molti sistemi ottici, gli stati di tripletto sono considerati “oscuri” perché la loro energia viene spesso dispersa. In questo nuovo progetto, tuttavia, l’energia di tripletto viene trasferita agli ioni lantanidi all’interno delle nanoparticelle con un’efficienza superiore al 98%. Questo processo fa sì che le nanoparticelle isolanti emettano una luce brillante e di elevata purezza.
LED a infrarossi vicini ultra puri a basso consumo energetico
I dispositivi risultanti, chiamati “LnLED”, funzionano a una tensione relativamente bassa di circa 5 volt. Producono inoltre elettroluminescenza con una larghezza spettrale estremamente ristretta, offrendo un’emissione luminosa molto più pura rispetto alle tecnologie concorrenti come i punti quantici (QD).
“La purezza della luce nella seconda finestra del vicino infrarosso emessa dai nostri LnLED è un enorme vantaggio”, ha affermato il Dott. Zhongzheng Yu, autore principale dello studio e ricercatore post-dottorato presso il Cavendish Laboratory. “Per applicazioni come il rilevamento biomedico o le comunicazioni ottiche, è necessaria una lunghezza d’onda molto nitida e specifica. I nostri dispositivi raggiungono questo obiettivo senza sforzo, cosa molto difficile da ottenere con altri materiali.”
Potenziali applicazioni di imaging medico e comunicazione ottica
Questa tecnologia potrebbe portare a una vasta gamma di applicazioni future. Poiché i LED emettono luce infrarossa vicina estremamente pura, potrebbero consentire la realizzazione di nuovi dispositivi medici in grado di visualizzare le profondità del corpo.
I minuscoli LnLED iniettabili o indossabili potrebbero potenzialmente aiutare i medici a individuare i tumori, monitorare gli organi in tempo reale o attivare farmaci fotosensibili con una precisione eccezionale.
L’emissione luminosa ristretta e stabile potrebbe inoltre migliorare i sistemi di comunicazione ottica riducendo le interferenze e consentendo la trasmissione di maggiori quantità di dati in modo più chiaro ed efficiente. Inoltre, questa tecnologia potrebbe supportare rilevatori altamente sensibili in grado di identificare specifiche sostanze chimiche o marcatori biologici.
I dispositivi di prima generazione mostrano già risultati promettenti
Il team di ricerca ha già raggiunto un’efficienza quantica esterna di picco superiore allo 0,6% per i propri LED NIR-II, un risultato notevole per un dispositivo di prima generazione. Gli scienziati affermano inoltre che esistono percorsi ben definiti per migliorare ulteriormente le prestazioni.
“Questo è solo l’inizio. Abbiamo scoperto una nuova classe di materiali per l’optoelettronica”, ha aggiunto il Dott. Yunzhou Deng, ricercatore post-dottorato presso il Cavendish Laboratory. “Il principio fondamentale è così versatile che ora possiamo esplorare innumerevoli combinazioni di molecole organiche e nanomateriali isolanti. Questo ci permetterà di creare dispositivi con proprietà su misura per applicazioni a cui non abbiamo ancora nemmeno pensato.”
Il lavoro è stato parzialmente finanziato da una sovvenzione per la ricerca di frontiera (EP/Y015584/1) del programma UK Research and Innovation (UKRI) e da borse di studio individuali post-dottorato (programma di borse di studio Marie Skłodowska-Curie).
I nanomateriali isolanti presentano ampi gap energetici e sono elettricamente accessibili solo in condizioni estreme, come radiazioni ad alta intensità e temperature, pressioni o tensioni elevate. 1 , 2 Le nanoparticelle isolanti drogate con lantanidi (LnNP) sono ampiamente studiate grazie alle loro eccezionali proprietà di luminescenza, tra cui un’emissione brillante, a larghezza di riga stretta, non intermittente e non sbiancante nella seconda gamma del vicino infrarosso (NIR-II). 3 , 4 Tuttavia, non è stato possibile generare elettricamente stati eccitati in questi nanomateriali isolanti a basse tensioni e, di conseguenza, non è stato possibile fabbricare dispositivi optoelettronici da questi sistemi. In questo lavoro, riportiamo un percorso di eccitazione elettrica per ottenere emissione da LnNP. Formando nanoibridi LnNP@molecola organica, in cui la ricombinazione delle cariche iniettate elettricamente sulla molecola organica è seguita da un efficiente trasferimento di energia di tripletto (TET) verso l’LnNP, è possibile attivare gli LnNP a una bassa tensione di funzionamento. Dimostriamo questo percorso di eccitazione in diodi a emissione di luce (LED), con basse tensioni di accensione di circa 5 V, spettri di elettroluminescenza (EL) molto stretti e un’efficienza quantica esterna (EQE) di picco superiore allo 0,6% nella finestra NIR-II. 5 I nostri LED basati su nanoparticelle di lantanidi (LnLED) consentono inoltre di modulare ampiamente le proprietà elettroluminescenti, modificando il tipo e la concentrazione dei droganti di lantanidi. Questi risultati aprono un nuovo campo di dispositivi optoelettronici ibridi e offrono nuove opportunità per le sorgenti di eccitazione a controllo elettrico basate su nanomateriali di lantanidi per applicazioni biomediche e optoelettroniche.
Materiale fornito dall’Università di Cambridge . Nota: il contenuto potrebbe essere modificato per motivi di stile e lunghezza.
Zhongzheng Yu, Yunzhou Deng, Junzhi Ye, Lars van Turnhout, Tianjun Liu, Alasdair Tew, Rakesh Arul, Simon Dowland, Yuqi Sun, Xinjuan Li, Linjie Dai, Yang Lu, Caterina Ducati, Jeremy J. Baumberg, Richard H. Friend, Robert LZ Hoye, Akshay Rao. Le triplette attivano elettricamente nanoparticelle isolanti drogate con lantanidi . Natura , 2025; 647 (8090): 625 DOI: 10.1038/s41586-025-09601-y
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