Une molécule organique à double fonction pourrait faire progresser les technologies d'affichage et l'imagerie médicale
Les chercheurs ont relevé un défi de longue date en matière de conception moléculaire en réalisant une émission de lumière et une absorption de photons efficaces dans le même composé.
Des chercheurs de l'université de Kyushu ont mis au point une nouvelle molécule organique qui présente simultanément deux propriétés très recherchées : une émission de lumière efficace adaptée aux écrans avancés et une forte absorption de la lumière pour la bio-imagerie des tissus profonds. Cette avancée permet de relever un défi de longue date dans le domaine de la conception moléculaire et ouvre la voie à la prochaine génération de matériaux multifonctionnels. T
Cette image représente la structure de la molécule organique proposée, ainsi que les diagrammes des niveaux d'énergie de l'absorption à deux photons (à gauche) et de la fluorescence retardée activée thermiquement (à droite).
Youhei Chitose/Kyushu University
Les diodes électroluminescentes organiques (OLED) sont à la pointe des technologies modernes d'affichage et d'éclairage, alimentant presque tout, des écrans de smartphones aux grands téléviseurs et moniteurs. La fluorescence retardée activée thermiquement (TADF) est un phénomène clé qui fait l'objet de recherches actives en vue d'améliorer l'efficacité des OLED. Ce processus se produit lorsque l'énergie absorbée, piégée dans un état non émetteur de lumière (état triplet), passe à un état émetteur de lumière (état singulet) en utilisant la chaleur de l'environnement. En termes simples, les matériaux présentant un TADF peuvent produire efficacement de la lumière à partir d'une énergie qui serait normalement perdue, ce qui permet d'obtenir des dispositifs plus lumineux et plus efficaces sur le plan énergétique.
Au-delà des écrans, la capacité à capturer des images nettes de tissus biologiques tout en causant un minimum de dommages est cruciale pour les diagnostics médicaux et la recherche. À cette fin, les techniques utilisant l'absorption à deux photons (2PA) se sont avérées utiles. Dans l'absorption à deux photons, au lieu d'absorber un seul photon à haute énergie, une molécule absorbe simultanément deux photons à plus faible énergie provenant d'un laser à haute intensité pour atteindre un état excité capable d'émettre de la fluorescence. La lumière avec des photons de plus faible énergie et de plus grande longueur d'onde, comme le proche infrarouge, est idéale pour l'imagerie biomédicale, car elle peut pénétrer beaucoup plus profondément dans les tissus sans diffusion. En outre, le 2PA signifie que seule une petite partie du tissu au point focal du laser est excitée, ce qui endommage moins les cellules vivantes.
Bien que le TADF et le 2PA soient tous deux des propriétés souhaitables dans les matériaux organiques - l'un pour une émission efficace de lumière, l'autre pour une imagerie supérieure - les combiner dans une seule molécule s'est avéré extrêmement difficile. En effet, ces mécanismes imposent des exigences de conception contradictoires. Le TADF fort nécessite une structure moléculaire torsadée qui sépare physiquement les orbitales des électrons pour faciliter la conversion de l'énergie. En revanche, le 2PA nécessite généralement une structure plus plane avec un chevauchement important des orbitales pour permettre une absorption efficace de la lumière.
"Reconnaissant que ces deux fonctions présentent des avantages complémentaires mais des exigences moléculaires contradictoires, j'ai été motivé pour concevoir un matériau capable d'harmoniser les deux, dans le but ultime de créer de nouveaux matériaux multifonctionnels qui pourraient relier les domaines de l'électronique et des sciences de la vie", explique le Dr Youhei Chitose, professeur adjoint à l'école supérieure d'ingénierie de l'université de Kyushu, au Japon, et auteur principal de l'étude.
Pour combler cette lacune, l'équipe de recherche a eu recours à une stratégie de conception moléculaire astucieuse. Ils ont créé une molécule appelée CzTRZCN qui agit comme un interrupteur moléculaire, modifiant sa structure et ses propriétés selon qu'elle absorbe ou émet de la lumière. Leur approche a consisté à combiner un composé carbazole (Cz) riche en électrons avec un noyau triazine (TRZ) pauvre en électrons. Les chercheurs ont pu affiner le regroupement des électrons dans les orbitales de la structure en ajoutant également des groupes cyano (CN), qui exercent une forte attraction sur les électrons.
Le résultat final signifie que lors de l'absorption de la lumière, CzTRZCN maintient un chevauchement orbital suffisant entre ses composants pour absorber efficacement deux photons simultanément. Après l'excitation, la molécule subit des changements structurels qui séparent ces composants, ce qui permet la TADF.
Grâce à une combinaison de calculs théoriques et de validation expérimentale, l'équipe a démontré que le matériau nouvellement conçu présentait une double fonctionnalité remarquable. Intégré dans un dispositif OLED, le CzTRZCN a atteint une efficacité quantique externe de 13,5 %, établissant une nouvelle référence parmi les matériaux TADF à base de triazine. En outre, il a présenté une section transversale 2PA élevée (une mesure de l'efficacité 2PA) et une grande luminosité, ce qui indique son potentiel pour l'imagerie médicale.
"La molécule proposée est un composé organique sans métal qui présente une faible toxicité pour les cellules et une biocompatibilité élevée. Cela la rend idéale pour une utilisation dans des sondes médicales pour des diagnostics précis du cancer et de la maladie neurologique, en particulier par microscopie à fluorescence résolue dans le temps", souligne M. Chitose.
Dans l'ensemble, cette étude représente une étape importante vers le développement de matériaux organiques polyvalents qui font le lien entre les domaines de la photoélectronique et de la bio-imagerie. Au-delà de l'utilisation médicale, la stratégie de conception moléculaire proposée pour obtenir différentes caractéristiques orbitales pour l'absorption et l'émission peut être largement appliquée à d'autres matériaux multifonctionnels.
"À l'avenir, nous souhaitons étendre cette approche de conception moléculaire pour couvrir une gamme plus large de longueurs d'onde d'émission. Nous prévoyons également de collaborer avec des chercheurs dans les domaines biomédical et de l'ingénierie des dispositifs afin d'explorer la mise en œuvre de ces matériaux dans des applications pratiques telles que l'imagerie in vivo, les capteurs portables et les OLED", conclut M. Chitose.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Youhei Chitose, Gomathi Vinayakam Mageswari, Ryota Zenke, Toshiharu Ide, Shintaro Kohata, Ja‐Hon Lin, Tzu‐Chau Lin, Youichi Tsuchiya, Chihaya Adachi; "Unlocking Dual Functionality in Triazine‐Based Emitters: Synergistic Enhancement of Two‐Photon Absorption and TADF‐OLED Performance with Electron‐Withdrawing Substituents"; Advanced Materials, 2025-7-29
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