Una molecola organica a doppia funzione può far progredire le tecnologie di visualizzazione e di imaging medico
I ricercatori hanno superato un'annosa sfida di progettazione molecolare realizzando un'efficiente emissione di luce e assorbimento di fotoni nello stesso composto.
I ricercatori dell'Università di Kyushu hanno sviluppato una nuova molecola organica che presenta contemporaneamente due proprietà molto ricercate: un'efficiente emissione di luce adatta a display avanzati e un forte assorbimento della luce per la bioimmagine dei tessuti profondi. Questa scoperta affronta una sfida di lunga data nella progettazione molecolare, aprendo la strada a materiali multifunzionali di prossima generazione. T
Questa immagine raffigura la struttura della molecola organica proposta, insieme ai diagrammi dei livelli energetici dell'assorbimento a due fotoni (lato sinistro) e della fluorescenza ritardata attivata termicamente (lato destro).
Youhei Chitose/Kyushu University
I diodi organici a emissione di luce (OLED) sono all'avanguardia nelle moderne tecnologie di visualizzazione e illuminazione e alimentano quasi tutto, dagli schermi degli smartphone ai grandi televisori e monitor. Un fenomeno chiave che viene attivamente studiato per migliorare l'efficienza degli OLED è la fluorescenza ritardata attivata termicamente (TADF). Questo processo si verifica quando l'energia assorbita, intrappolata in uno stato che non emette luce (stato tripletto), viene spostata in uno stato che emette luce (stato singoletto) utilizzando il calore dell'ambiente circostante. In parole povere, i materiali che presentano la TADF possono produrre in modo efficiente la luce dall'energia che normalmente andrebbe persa, portando a dispositivi più luminosi e più efficienti dal punto di vista energetico.
Oltre ai display, la capacità di catturare immagini nitide dei tessuti biologici causando un danno minimo è fondamentale per la diagnostica e la ricerca medica. A tal fine, si sono rivelate utili le tecniche che sfruttano l'assorbimento a due fotoni (2PA). Nella 2PA, invece di assorbire un singolo fotone ad alta energia, una molecola assorbe simultaneamente due fotoni a più bassa energia da un laser ad alta intensità per raggiungere uno stato eccitato in grado di emettere fluorescenza. La luce con fotoni a bassa energia e lunghezze d'onda maggiori, come il vicino infrarosso, è ideale per l'imaging biomedico, in quanto può penetrare molto più in profondità nei tessuti senza dispersione. Inoltre, il 2PA significa che solo una piccola porzione di tessuto nel punto focale del laser viene eccitata, causando meno danni alle cellule viventi.
Sebbene la TADF e la 2PA siano entrambe proprietà desiderabili nei materiali organici, una per un'efficiente emissione di luce e l'altra per un imaging superiore, la combinazione di entrambe in un'unica molecola è stata estremamente impegnativa. Questo perché questi meccanismi impongono requisiti di progettazione contrastanti. Una forte TADF richiede una struttura molecolare contorta che separa fisicamente gli orbitali degli elettroni per facilitare la conversione di energia. Al contrario, la 2PA richiede una struttura più planare con una significativa sovrapposizione di orbitali per consentire un efficace assorbimento della luce.
"Riconoscendo che queste due funzioni hanno vantaggi complementari ma requisiti molecolari contrastanti, sono stato motivato a progettare un materiale che potesse armonizzarle entrambe, con l'obiettivo finale di creare nuovi materiali multifunzionali che possano collegare i campi dell'elettronica e delle scienze della vita", spiega il dott. Youhei Chitose, professore assistente della Graduate School of Engineering della Kyushu University, in Giappone, e autore principale dello studio.
Per colmare questa lacuna di conoscenza, il team di ricerca ha impiegato un'intelligente strategia di progettazione molecolare. Hanno creato una molecola chiamata CzTRZCN che agisce come un interruttore molecolare, cambiando la sua struttura e le sue proprietà a seconda che assorba o emetta luce. Il loro approccio prevedeva la combinazione di un composto di carbazolo (Cz) ricco di elettroni con un nucleo di triazina (TRZ) povero di elettroni. I ricercatori sono stati in grado di perfezionare il raggruppamento degli elettroni negli orbitali all'interno della struttura aggiungendo anche gruppi ciano (CN), che esercitano una forte attrazione sugli elettroni.
Il risultato finale ha fatto sì che, durante l'assorbimento della luce, la CzTRZCN mantenga una sovrapposizione orbitale sufficiente tra i suoi componenti per assorbire in modo efficiente due fotoni contemporaneamente. Dopo l'eccitazione, la molecola subisce cambiamenti strutturali che separano questi componenti, consentendo la TADF.
Attraverso una combinazione di calcoli teorici e convalida sperimentale, il team ha dimostrato che il materiale di nuova concezione ha raggiunto una notevole doppia funzionalità. Integrato in un dispositivo OLED, CzTRZCN ha raggiunto un'efficienza quantica esterna del 13,5%, stabilendo un nuovo punto di riferimento tra i materiali TADF a base di triazina. Inoltre, ha mostrato un'elevata sezione d'urto 2PA (una misura dell'efficienza 2PA) e un'alta luminosità, a dimostrazione del suo potenziale per l'imaging medico.
"La molecola proposta è un composto organico privo di metalli, con bassa tossicità per le cellule ed elevata biocompatibilità. Ciò la rende ideale per l'uso in sonde mediche per la diagnostica precisa del cancro e delle malattie neurologiche, soprattutto attraverso la microscopia a fluorescenza risolta nel tempo", sottolinea Chitose.
Nel complesso, questo studio rappresenta un importante passo avanti verso lo sviluppo di materiali organici versatili, che costituiscono un ponte tra i campi della fotoelettronica e della bioimmagine. Oltre all'uso medico, la strategia di progettazione molecolare proposta per ottenere diverse caratteristiche orbitali per l'assorbimento e l'emissione può essere ampiamente applicata ad altri materiali multifunzionali.
"In futuro, intendiamo espandere questo approccio di progettazione molecolare per coprire una gamma più ampia di lunghezze d'onda di emissione. Intendiamo inoltre collaborare con ricercatori nei campi dell'ingegneria biomedica e dei dispositivi per esplorare l'implementazione di questi materiali in applicazioni pratiche come l'imaging in vivo, i sensori indossabili e gli OLED", conclude Chitose.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione 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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