Wetenschappers hebben een groep materialen ontdekt die de weg zouden kunnen effenen voor een nieuwe generatie hoogrenderende verlichting, het oplossen van een dilemma dat de prestaties van weergavetechnologie decennialang heeft belemmerd. De ontwikkeling van energiebesparende concepten in display- en verlichtingstoepassingen is een belangrijk aandachtspunt van onderzoek, aangezien een vijfde van de elektriciteit in de wereld wordt gebruikt voor het opwekken van licht.

Inschrijven Wetenschap deze week, het team, van de Universiteit van Cambridge, de Universiteit van East Anglia en de Universiteit van Oost-Finland, beschrijft hoe het een nieuw type materiaal ontwikkelde dat gebruikmaakt van draaibare moleculen om sneller licht uit te stralen dan ooit tevoren. Het kan leiden tot televisies, smartphoneschermen en kamerverlichting die energiezuiniger zijn, helderder en duurzamer dan die momenteel op de markt zijn.

Corresponderende auteur, Dr. Dan Credgington, van het Cavendish-laboratorium van de Universiteit van Cambridge, zegt:"Het is verbazingwekkend dat de allereerste demonstratie van dit nieuwe soort materiaal al beter is dan de prestaties van technologieën die decennia nodig hebben gehad om zich te ontwikkelen. Als het effect dat we hebben ontdekt over het hele spectrum kan worden benut, het zou de manier kunnen veranderen waarop we licht genereren."

Moleculaire materialen zijn de drijvende kracht achter moderne organische lichtemitterende diodes (OLED's). Uitgevonden in de jaren 80, deze apparaten zenden licht uit wanneer elektriciteit wordt toegepast op de organische (op koolstof gebaseerde) moleculen erin. OLED-verlichting wordt nu veel gebruikt in televisies, computers en mobiele telefoons. Het moet echter een fundamenteel probleem overwinnen dat een beperkte efficiëntie heeft als het gaat om het omzetten van elektrische energie in licht.

Door een elektrische stroom door deze moleculen te laten gaan, komen ze in een aangeslagen toestand, maar slechts 25% hiervan zijn 'heldere' toestanden die snel licht kunnen uitstralen. De overige 75% zijn 'donkere' toestanden die gewoonlijk hun energie verspillen aan warmte die de efficiëntie van het OLED-apparaat beperkt. Deze manier van werken produceert net als bij een ouderwetse gloeilamp meer warmte dan licht. De onderliggende reden is een kwantumeigenschap genaamd 'spin' en de donkere toestanden hebben het verkeerde type.

Een benadering om dit probleem aan te pakken is het gebruik van zeldzame elementen, zoals iridium, die de donkere staten helpen om licht uit te stralen door ze hun draai te laten veranderen. Het probleem is dat dit proces te lang duurt, dus de energie die vastzit in de donkere toestanden kan zich opstapelen tot schadelijke niveaus en de OLED onstabiel maken. Dit effect is zo'n probleem voor blauw emitterende materialen (blauw licht heeft de hoogste energie van alle kleuren) dat, in praktijk, de aanpak kan niet worden gebruikt.

Chemici van de University of East Anglia hebben nu een nieuw type materiaal ontwikkeld waarbij twee verschillende organische moleculen met elkaar zijn verbonden door een atoom van koper of goud. De resulterende structuur lijkt een beetje op een propeller. de verbindingen, die kan worden gemaakt door een eenvoudige procedure in één pot van gemakkelijk verkrijgbare materialen, bleken verrassend lichtgevend te zijn. Door hun "propeller" te draaien, donkere toestanden gevormd op deze materialen worden verwrongen, waardoor ze snel van draai kunnen veranderen. Het proces verhoogt de snelheid waarmee elektrische energie wordt omgezet in licht aanzienlijk, waardoor een efficiëntie van bijna 100% wordt bereikt en de schadelijke opbouw van donkere toestanden wordt voorkomen.

Dr. Dawei Di en Dr. Le Yang, uit Cambridge, waren co-hoofdauteurs, samen met dr. Alexander Romanov, van de UEA. Hij zegt:

"Onze ontdekking dat eenvoudige verbindingen van koper en goud kunnen worden gebruikt als heldere en efficiënte materialen voor OLED's, laat zien hoe chemie tastbare voordelen voor de samenleving kan opleveren. Alle eerdere pogingen om OLED's te bouwen op basis van deze metalen hebben slechts tot matig succes geleid. Het probleem is dat die materialen vereisten dat de geavanceerde organische moleculen werden gebonden met koper, maar niet aan de industriële normen voldoen. Onze resultaten gaan over een voortdurende onderzoeks- en ontwikkelingsuitdaging die betaalbare hightech OLED-producten in elk huis kan brengen. "

Computationele modellering speelde een belangrijke rol bij het blootleggen van deze nieuwe manier om intramoleculaire draaiende bewegingen te benutten voor energieconversie.

Professor Mikko Linnolahti, van de Universiteit van Oost-Finland, waar dit werd gedaan, opmerkingen:

"Dit werk vormt de case study voor hoe we de principes achter het functioneren van deze nieuwe materialen en hun toepassing in OLEDS kunnen verklaren."

De volgende stap is het ontwerpen van nieuwe moleculen die volledig profiteren van dit mechanisme, met het uiteindelijke doel om de behoefte aan zeldzame elementen volledig te elimineren. Dit zou het langst bestaande probleem in het veld oplossen - hoe OLED's te maken zonder een afweging te hoeven maken tussen efficiëntie en stabiliteit.

Mede-hoofdauteur, Dr Dawei Di, van het Cavendish-laboratorium, zegt:

"Ons werk laat zien dat spin in aangeslagen toestand en moleculaire beweging kunnen samenwerken om de prestaties van OLED's sterk te beïnvloeden. Dit is een uitstekende demonstratie van hoe kwantummechanica, een belangrijke tak van fundamentele wetenschap, kan directe gevolgen hebben voor een commerciële toepassing die een enorme wereldwijde markt heeft."