Un'improvvisa esplosione di luminosità: un nuovo metodo per impilare i coloranti

In natura, una certa dimensione è spesso un prerequisito perché le biomolecole possano svolgere le loro funzioni specifiche. Ad esempio, per svolgere i loro compiti vitali, le proteine o il DNA devono essere ripiegati in modo preciso, e questo richiede una certa lunghezza minima.

Da tempo i chimici in laboratorio sono in grado di costruire passo dopo passo proteine e acidi nucleici con lunghezze e composizioni definite utilizzando la sintesi in fase solida.

Ora, per la prima volta, ricercatori tedeschi e coreani hanno presentato un metodo di sintesi comparabile per molecole di coloranti organici. Con questo metodo è possibile impilare in modo mirato fino a 14 unità di perilene bisimide l'una sull'altra. Questi coloranti sono stati scelti perché sono interessanti per le future generazioni di semiconduttori organici e nano-laser. Iniziano a brillare quando vengono eccitati da impulsi di luce.

La scoperta: la luminosità aumenta drasticamente

"Con il nostro nuovo metodo di sintesi, possiamo garantire che le molecole di colorante non siano impilate in modo irregolare, ma siano ripiegate con precisione nei cosiddetti 'foldamers', in una sequenza e in una disposizione spaziale definite", afferma il professor Frank Würthner, responsabile del Centro per la chimica dei nanosistemi e della cattedra di chimica organica II dell'Università di Würzburg.

Ma non è tutto. Impilando gradualmente le molecole di colorante l'una sull'altra, gli scienziati hanno scoperto un effetto cruciale: estendendo le pile a un'altezza di quattro o sei unità, la loro luminescenza aumenta in modo significativo.

Perché questo effetto? "Nell'intervallo di quattro-sei molecole impilate, la struttura si stabilizza a tal punto che al centro domina uno stato multieccitone, che porta a un rendimento quantico di fluorescenza significativamente maggiore", spiega il dottorando Leander Ernst, autore principale dello studio. La crescente rigidità strutturale al centro della pila protegge lo stato eccitato dalle influenze esterne e ottimizza l'emissione di luce.

I dati dei ricercatori dimostrano in modo impressionante questo effetto: mentre una pila di due unità mostra un'efficienza luminosa del 47%, questa cifra sale fino al 75% per una catena di 14 unità.
Per le future applicazioni tecnologiche, ciò significa che i componenti con coloranti impilati potrebbero consumare meno elettricità o brillare molto di più a parità di energia immessa.

Il significato dello studio per la scienza

Nello sviluppo di materiali semiconduttori organici, gli scienziati hanno finora utilizzato prevalentemente "modelli a dimeri" per prevedere l'accoppiamento delle molecole nei materiali allo stato solido, come avviene nelle applicazioni della scienza dei materiali. Ora dovrebbe essere chiaro che questo modello è insufficiente: è come cercare di capire la stabilità strutturale di una casa esaminando due mattoni sovrapposti.

Un problema fondamentale nell'uso dei materiali a base di coloranti nelle applicazioni di illuminazione è stato finora il cosiddetto "quenching": normalmente, i coloranti perdono la loro luminosità quando vengono impacchettati strettamente l'uno con l'altro - si "spengono" l'uno con l'altro. I ricercatori di Würzburg e Seoul hanno ora superato questa limitazione per i foldamers di perilene bisimide descritti.

Tuttavia, il passaggio dalla ricerca di base ai dispositivi reali di uso quotidiano rimane una sfida. Un consorzio di ricerca di Würzburg che unisce chimica e fisica, guidato dai professori Tobias Brixner (Chimica) e Bert Hecht (Fisica), intende affrontare questo problema alla JMU.

I risultati sono stati ottenuti in collaborazione tra il team del professor Frank Würthner e il gruppo guidato dal professor Dongho Kim dell'Università Yonsei di Seul (Corea). Sono stati pubblicati sulla rivista Nature Chemistry.