Molécula orgânica de dupla função pode fazer avançar as tecnologias de visualização e de imagiologia médica
Os investigadores ultrapassaram um desafio de conceção molecular de longa data, realizando uma emissão de luz e uma absorção de fotões eficientes no mesmo composto.
Os investigadores da Universidade de Kyushu desenvolveram uma nova molécula orgânica que apresenta simultaneamente duas propriedades muito procuradas: emissão de luz eficiente adequada para ecrãs avançados e forte absorção de luz para bioimagem de tecidos profundos. Esta descoberta responde a um desafio de longa data na conceção molecular, abrindo caminho para materiais multifuncionais da próxima geração. T
Esta imagem mostra a estrutura da molécula orgânica proposta, juntamente com os diagramas de níveis de energia da absorção de dois fotões (lado esquerdo) e da fluorescência retardada activada termicamente (lado direito).
Youhei Chitose/Kyushu University
Os díodos orgânicos emissores de luz (OLED) estão na vanguarda das modernas tecnologias de visualização e iluminação, alimentando quase tudo, desde os ecrãs dos smartphones aos grandes televisores e monitores. Um fenómeno fundamental que está a ser ativamente investigado para melhorar a eficiência dos OLED é a fluorescência retardada activada termicamente (TADF). Este processo ocorre quando a energia absorvida, retida num estado não emissor de luz (estado tripleto), é deslocada para um estado emissor de luz (estado singleto) utilizando o calor do meio envolvente. Em termos simples, os materiais que apresentam TADF podem produzir luz de forma eficiente a partir da energia que normalmente se perderia, conduzindo a dispositivos mais brilhantes e mais eficientes em termos energéticos.
Para além dos ecrãs, a capacidade de captar imagens nítidas de tecidos biológicos, causando o mínimo de danos, é crucial para o diagnóstico e a investigação médica. Para este efeito, as técnicas que utilizam a absorção de dois fotões (2PA) têm-se revelado úteis. Na 2PA, em vez de absorver um único fotão de alta energia, uma molécula absorve simultaneamente dois fotões de baixa energia de um laser de alta intensidade para atingir um estado excitado capaz de emitir fluorescência. A luz com fotões de baixa energia e comprimentos de onda mais longos, como o infravermelho próximo, é ideal para a imagiologia biomédica, uma vez que pode penetrar muito mais profundamente nos tecidos sem se dispersar. Como bónus, o 2PA significa que apenas uma pequena parte do tecido no ponto focal do laser é excitada, causando menos danos às células vivas.
Embora a TADF e a 2PA sejam propriedades desejáveis em materiais orgânicos - uma para uma emissão de luz eficiente e a outra para uma imagem superior - a combinação de ambas numa única molécula tem sido extremamente difícil. Isto deve-se ao facto de estes mecanismos imporem requisitos de conceção contraditórios. A TADF forte exige uma estrutura molecular torcida que separa fisicamente os orbitais dos electrões para facilitar a conversão de energia. Em contrapartida, o 2PA requer normalmente uma estrutura mais plana com uma sobreposição significativa de orbitais para permitir uma absorção eficaz da luz.
"Reconhecendo que estas duas funções têm vantagens complementares, mas requisitos moleculares contraditórios, fui motivado a conceber um material que pudesse harmonizar ambas, com o objetivo final de criar novos materiais multifuncionais que pudessem ligar os campos da eletrónica e das ciências da vida", afirma o Dr. Youhei Chitose, Professor Assistente da Graduate School of Engineering da Universidade de Kyushu, Japão, e principal autor do estudo.
Para colmatar esta lacuna de conhecimento, a equipa de investigação utilizou uma estratégia inteligente de conceção molecular. Criaram uma molécula chamada CzTRZCN que actua como um interrutor molecular, alterando a sua estrutura e propriedades consoante esteja a absorver ou a emitir luz. A sua abordagem envolveu a combinação de um composto de carbazole (Cz) rico em electrões com um núcleo de triazina (TRZ) deficiente em electrões. Os investigadores conseguiram afinar a forma como os electrões se agrupavam em orbitais dentro da estrutura, adicionando também grupos ciano (CN), que exercem uma forte atração sobre os electrões.
O resultado final significa que, durante a absorção da luz, a CzTRZCN mantém uma sobreposição orbital suficiente entre os seus componentes para absorver eficazmente dois fotões em simultâneo. Após a excitação, a molécula sofre alterações estruturais que separam estes componentes, permitindo a TADF.
Através de uma combinação de cálculos teóricos e validação experimental, a equipa demonstrou que o seu material recentemente concebido alcançou uma notável funcionalidade dupla. Quando integrado num dispositivo OLED, o CzTRZCN alcançou uma eficiência quântica externa de 13,5%, estabelecendo uma nova referência entre os materiais TADF baseados em triazinas. Além disso, apresentou uma elevada secção transversal 2PA (uma medida da eficiência 2PA) e um elevado brilho, o que significa o seu potencial para a imagiologia médica.
"A molécula proposta é um composto orgânico sem metal, com baixa toxicidade para as células e elevada biocompatibilidade. Isto torna-a ideal para utilização em sondas médicas para diagnósticos precisos de cancro e neurológicos, especialmente através de microscopia de fluorescência resolvida no tempo", destaca Chitose.
De um modo geral, este estudo representa um passo importante para o desenvolvimento de materiais orgânicos versáteis que ligam os campos da fotoelectrónica e da bioimagem. Para além do uso médico, a estratégia de design molecular proposta para obter diferentes caraterísticas orbitais para absorção e emissão pode ser amplamente aplicada a outros materiais multifuncionais.
"No futuro, pretendemos expandir esta abordagem de conceção molecular para abranger uma gama mais vasta de comprimentos de onda de emissão. Também planeamos colaborar com investigadores nas áreas da biomedicina e da engenharia de dispositivos para explorar a implementação destes materiais em aplicações práticas, tais como imagiologia in vivo, sensores portáteis e OLEDs", conclui Chitose.
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Publicação original
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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