زنجیره‌های حلقه‌های ذوب شده حاوی کربن دارای ویژگی‌های نوری الکترونیکی منحصربه‌فردی هستند که آنها را به عنوان نیمه‌رسانا مفید می‌سازد. این زنجیرها، که به عنوان آسن شناخته می شوند، همچنین می توانند برای ساطع رنگ های مختلف نور تنظیم شوند، که آنها را کاندیدهای خوبی برای استفاده در LED های ارگانیک می کند.
رنگ نور ساطع شده توسط آسن با طول آن تعیین می شود، اما با طولانی شدن مولکول ها، پایداری آنها نیز کاهش می یابد و از استفاده گسترده آنها در کاربردهای ساطع نور جلوگیری می کند.
شیمیدانان MIT اکنون راهی برای پایدارتر کردن این مولکول ها پیدا کرده اند که به آنها اجازه می دهد تا آسن هایی با طول های مختلف را سنتز کنند. با استفاده از رویکرد جدید خود، آنها توانستند مولکول هایی بسازند که نور قرمز، نارنجی، زرد، سبز یا آبی ساطع می کنند که می تواند استقرار آسن ها را در کاربردهای مختلف آسان تر کند.
رابرت گیلیارد، دانشیار شیمی Novartis در MIT و نویسنده ارشد مطالعه جدید، می‌گوید: «این دسته از مولکول‌ها، علی‌رغم کاربردشان، از نظر مشخصات واکنش‌پذیری دارای چالش‌هایی هستند. آنچه ما در این مطالعه سعی کردیم به آن بپردازیم اولاً مسئله پایداری بود و ثانیاً، ما می‌خواستیم ترکیباتی بسازیم که بتوانید محدوده قابل تنظیمی از انتشار نور داشته باشید.
چون-لین دنگ، محقق MIT، نویسنده اصلی این مقاله است کاغذکه امروز در شیمی طبیعی.
مولکول های رنگی
آسن ها از مولکول های بنزن – حلقه های ساخته شده از کربن و هیدروژن – تشکیل شده اند که به صورت خطی با هم ذوب شده اند. از آنجایی که آنها سرشار از الکترون های مشترک هستند و می توانند به طور موثر بار الکتریکی را حمل کنند، به عنوان نیمه هادی ها و ترانزیستورهای اثر میدان (ترانزیستورهایی که از میدان الکتریکی برای کنترل جریان جریان در نیمه هادی استفاده می کنند) استفاده می شوند.
کار اخیر نشان داده است که آسن ها، که در آنها برخی از اتم های کربن با بور و نیتروژن جایگزین شده یا “دوپ” شده اند، حتی خواص الکترونیکی مفیدتری دارند. با این حال، مانند آسن های سنتی، این مولکول ها هنگام قرار گرفتن در معرض هوا یا نور ناپایدار هستند. اغلب، آکن ها باید در یک ظرف در بسته به نام جعبه دستکش سنتز شوند تا از قرار گرفتن در معرض هوا محافظت کنند، که می تواند باعث متلاشی شدن آنها شود. هر چه آکن ها طولانی تر باشند، بیشتر مستعد واکنش های نامطلوب ناشی از اکسیژن، آب یا نور هستند.
گیلیارد برای تلاش برای پایدارتر کردن آسن‌ها، تصمیم گرفت از لیگاندی استفاده کند که قبلاً آزمایشگاهش با آن کار کرده بود، به نام کربودیکاربن. در مطالعه ای که سال گذشته منتشر شد، آنها از این لیگاند برای تثبیت استفاده کردند یون های بورافلورنیمترکیبات آلی که می توانند رنگ های مختلف نور را در پاسخ به تغییرات دما ساطع کنند.
برای این مطالعه، گیلیارد و همکارانش سنتز جدیدی را توسعه دادند که به آنها اجازه می‌داد تا کربودی‌کاربن‌ها را به آسن‌هایی اضافه کنند که با بور و نیتروژن نیز دوپ شده بودند. با افزودن لیگاند جدید، آسن ها دارای بار مثبت می شوند که پایداری آنها را بهبود می بخشد و خواص الکترونیکی منحصر به فردی به آنها می دهد.
با استفاده از این رویکرد، محققان آسن هایی را ایجاد کردند که بسته به طول آنها و انواع گروه های شیمیایی متصل به کربودیربن، رنگ های مختلفی تولید می کردند. تا به حال، اکثر آسن های سنتز شده با بور و نیتروژن، تنها می توانستند نور آبی ساطع کنند.
گیلیارد می گوید: انتشار قرمز برای طیف وسیعی از کاربردها، از جمله کاربردهای بیولوژیکی مانند تصویربرداری، بسیار مهم است. بسیاری از بافت‌های انسانی نور آبی ساطع می‌کنند، بنابراین استفاده از کاوشگرهای فلورسنت آبی برای تصویربرداری دشوار است، که یکی از دلایل بسیاری است که مردم به دنبال ساطع‌کننده‌های قرمز هستند.
ثبات بهتر
یکی دیگر از ویژگی های مهم این آکن ها این است که هم در هوا و هم در آب پایدار می مانند. مولکول های باردار حاوی بور با تعداد هماهنگی پایین (به این معنی که اتم بور مرکزی همسایگان کمی دارد) اغلب در آب بسیار ناپایدار هستند، بنابراین پایداری آسن ها در آب قابل توجه است و ممکن است استفاده از آنها را برای تصویربرداری و سایر کاربردهای پزشکی امکان پذیر کند.
یکی از دلایلی که ما در مورد دسته ترکیباتی که در این مقاله گزارش می کنیم هیجان زده هستیم این است که می توان آنها را در آب معلق کرد. گیلیارد می‌گوید که این گستره وسیعی از احتمالات را باز می‌کند.
اکنون محققان قصد دارند انواع مختلف کربودیکاربن ها را ترکیب کنند تا ببینند آیا می توانند آسن های اضافی با ثبات و کارایی کوانتومی بهتر ایجاد کنند (معیار میزان نور ساطع شده از ماده).
گیلیارد می‌گوید: «ما فکر می‌کنیم که می‌توان مشتقات مختلفی ساخت که هنوز حتی آنها را سنتز نکرده‌ایم. “خواص اپتوالکترونیکی زیادی وجود دارد که می توان آنها را انتخاب کرد که ما هنوز باید آنها را کشف کنیم، و همچنین از این بابت هیجان زده هستیم.”
گیلیارد همچنین قصد دارد با مارک بالدو، پروفسور مهندسی برق در MIT، تلاش کند تا آسن‌های جدید را در نوعی سلول خورشیدی به نام سلول خورشیدی تک‌شکافی ترکیب کند. این نوع سلول خورشیدی می تواند از یک فوتون دو الکترون تولید کند و سلول را بسیار کارآمدتر کند.
گیلیارد می‌گوید این نوع ترکیبات را می‌توان برای استفاده به عنوان LED برای نمایشگرهای تلویزیون و کامپیوتر نیز توسعه داد. دیودهای ساطع کننده نور ارگانیک سبک تر و انعطاف پذیرتر از LED های سنتی هستند، تصاویر روشن تری تولید می کنند و انرژی کمتری مصرف می کنند.
ما هنوز در مراحل اولیه توسعه کاربردهای خاص هستیم، چه نیمه هادی های آلی، دستگاه های ساطع کننده نور یا سلول های خورشیدی مبتنی بر شکافت تکی، اما به دلیل پایداری آنها، تولید دستگاه باید بسیار نرم تر از معمول برای این نوع از دستگاه ها باشد. ترکیبات، “گیلیارد می گوید.
Tiow-Gan Ong می‌گوید: «با ترکیب کربن واکنش‌پذیر صفر ظرفیتی و گونه‌های کاتیونی بور، این کار خلاقانه با یک پارادایم غیر متعارف مطمئناً مسیر امیدوارکننده‌ای را به سمت توسعه مواد تابش نور بسیار پایدار در هوا و نور و دستگاه‌های جمع‌آوری انرژی مینیاتوری هموار می‌کند. ، معاون مؤسسه شیمی در آکادمی سینیکا در چین که در این تحقیق شرکت نداشت.
این تحقیق توسط بنیاد آرنولد و میبل بکمن و برنامه ابزارهای تحقیقاتی اصلی بنیاد ملی علوم تامین شد.
