Um aumento súbito de luminosidade: novo método para empilhar corantes

Na natureza, um determinado tamanho é frequentemente um pré-requisito para que as biomoléculas desempenhem as suas funções específicas. Por exemplo, para que as proteínas ou o ADN cumpram as suas tarefas vitais, têm de ser dobrados de uma forma precisa - e isto requer um determinado comprimento mínimo.

Há muito tempo que os químicos de laboratório conseguem construir, passo a passo, proteínas e ácidos nucleicos com comprimentos e composições definidos, utilizando a síntese em fase sólida.

Agora, pela primeira vez, investigadores alemães e coreanos apresentaram um método de síntese comparável para moléculas de corantes orgânicos. Até 14 unidades de bissimida de perileno podem ser especificamente empilhadas umas sobre as outras utilizando este método. Estes corantes foram escolhidos porque são de interesse para as futuras gerações de semicondutores orgânicos e nano-lasers. Começam a brilhar quando excitados por impulsos de luz.

A descoberta: a luminosidade aumenta drasticamente

"Com o nosso novo método de síntese, podemos garantir que as moléculas de corante não são empilhadas de forma irregular, mas sim dobradas com precisão nos chamados 'foldamers' - numa sequência e disposição espacial definidas", afirma o Professor Frank Würthner, Diretor do Centro de Química de Nanossistemas e Presidente da cadeira de Química Orgânica II da Universidade de Würzburg.

Mas isso não é tudo. Ao empilharem gradualmente as moléculas de corante umas sobre as outras, os cientistas descobriram um efeito crucial: ao estenderem as pilhas até uma altura de quatro a seis unidades, a sua luminescência aumenta significativamente.

Porquê? "Na gama de quatro a seis moléculas empilhadas, a estrutura estabiliza-se de tal forma que um estado de multiexcitões domina no centro, levando a um aumento significativo do rendimento quântico de fluorescência", explica o estudante de doutoramento Leander Ernst, principal autor do estudo. A crescente rigidez estrutural no centro da pilha protege o estado excitado de influências externas e optimiza a emissão de luz.

Os dados dos investigadores demonstram de forma impressionante este efeito: enquanto uma pilha de duas unidades apresenta uma eficiência luminosa de 47%, este valor sobe até 75% para uma cadeia de 14 unidades.
Para futuras aplicações tecnológicas, isto significa que os componentes com corantes empilhados podem consumir menos eletricidade ou brilhar significativamente mais com o mesmo consumo de energia.

O que o estudo significa para a ciência

No desenvolvimento de materiais semicondutores orgânicos, os cientistas têm, até agora, utilizado maioritariamente "modelos de dímeros" para prever o acoplamento de moléculas em materiais de estado sólido, tal como acontece nas aplicações da ciência dos materiais. Atualmente, deve ser claro que este modelo é insuficiente - é como tentar compreender a estabilidade estrutural de uma casa examinando dois tijolos colocados um em cima do outro.

Um dos principais problemas na utilização de materiais à base de corantes em aplicações de iluminação tem sido, até à data, a chamada extinção: normalmente, os corantes perdem a sua luminosidade quando estão muito próximos uns dos outros - "apagam-se" uns aos outros. Os investigadores de Würzburg e de Seul ultrapassaram agora esta limitação no que respeita aos folders de perileno bisimida descritos.

No entanto, a passagem da investigação fundamental para dispositivos do quotidiano real continua a ser um desafio. Um consórcio de investigação de Würzburg que combina química e física, liderado pelos Professores Tobias Brixner (Química) e Bert Hecht (Física), tenciona abordar esta questão na JMU.

Os resultados foram produzidos em colaboração entre a equipa do Professor Frank Würthner e o grupo liderado pelo Professor Dongho Kim na Universidade Yonsei em Seul (Coreia). Foram publicados na revista Nature Chemistry.