Японские ученые синтезировали органическую молекулу, которая одновременно обладает двумя востребованными свойствами: эффективным излучением света для современных дисплеев и его сильным поглощением для глубокой визуализации биологических тканей.
Органические светодиоды (OLED) в современной реальности можно встретить почти везде — от освещения до экранов смартфонов и телевизоров. Самые перспективные OLED-материалы используют термоактивированную замедленную флуоресценцию (TADF) — явление, когда поглощенная энергия, запертая в не излучающем свет состоянии (триплетное состояние), переходит в излучающее состояние (синглетное) за счет тепла из окружающей среды. Проще говоря, материалы с TADF могут эффективно преобразовывать энергию, которая обычно теряется, в свет, что делает дисплеи ярче и энергоэффективнее.
Двухфотонное поглощение (2PA) применяется в безвредной и высокоточной диагностике методом медицинской визуализации. Особенность 2PA — возбуждение атомов в результате поглощения молекулой двух низкоэнергетических фотонов вместо одного высокоэнергетического. Это позволяет применять инфракрасный лазер, который проникает глубже в ткани тела, но не оказывает повреждающего действия и охватывает точечную область для исследования.
Как видно, свойства нужные — но взаимоисключающие. Для TADF требуется скрученная молекулярная структура, которая физически разделяет электронные орбитали, облегчая преобразование энергии. А 2PA — наоборот, предполагает более плоскую структуру со значительным перекрытием орбиталей для эффективного поглощения света.
Специалисты по фотонике из Университета Кюсю совместно с коллегами из Национального Тайбэйского технологического университета и Национального центрального университета применили оригинальную стратегию молекулярного дизайна. Они создали молекулу под названием CzTRZCN, которая действует как молекулярный переключатель, меняя свою структуру и свойства в зависимости от того, поглощает она свет или излучает. Их подход заключался в соединении богатого электронами карбазола Cz с электронодефицитным триазиновым ядром TRZ. Добавление цианогрупп CN, которые сильно притягивают электроны, помогло точнее настроить их распределение по орбиталям.
В результате при поглощении света CzTRZCN сохраняет достаточное перекрытие орбиталей для эффективного двухфотонного поглощения, а после возбуждения молекула меняет структуру, разделяя компоненты, что обеспечивает TADF.
Предсказанную в теории мощь двойной функциональности подтвердили в экспериментах, результаты которых изложены в журнале Advanced Materials.
В OLED-устройстве CzTRZCN достиг внешней квантовой эффективности 13,5%, установив новую планку для TADF-материалов на основе триазина. Кроме того, он продемонстрировал высокое сечение двухфотонного поглощения (показатель эффективности 2PA) и яркость, что указывает на его потенциал для медицинской визуализации.
«Предложенная молекула — это металлоорганическое соединение с низкой токсичностью для клеток и высокой биосовместимостью. Это делает ее идеальной для медицинских зондов, например, для точной диагностики рака и неврологических заболеваний с помощью флуоресцентной микроскопии с временным разрешением», — пояснил доцент Ёхей Читосе из Университета Кюсю.
В целом, это исследование стало важным шагом к созданию универсальных органических материалов, объединяющих фотоэлектронику и биовизуализацию. Помимо медицины, предложенная стратегия молекулярного дизайна может быть применена и к другим многофункциональным материалам.
«В дальнейшем мы планируем расширить этот подход, чтобы охватить более широкий диапазон длин волн излучения», — заключил Читосе.