Ketens van gefuseerde koolstofhoudende ringen hebben unieke opto-elektronische eigenschappen die ze bruikbaar maken als halfgeleiders. Deze ketens, bekend als acenen, kunnen ook worden afgestemd om verschillende kleuren licht uit te zenden, waardoor ze goede kandidaten zijn voor gebruik in organische lichtgevende diodes.

De kleur van het licht dat door een aceen wordt uitgezonden, wordt bepaald door de lengte ervan, maar naarmate de moleculen langer worden, worden ze ook minder stabiel, wat hun wijdverbreide gebruik in lichtemitterende toepassingen heeft belemmerd.

MIT-chemici hebben nu een manier bedacht om deze moleculen stabieler te maken, waardoor ze acenen van verschillende lengtes kunnen synthetiseren. Met behulp van hun nieuwe aanpak konden ze moleculen bouwen die rood, oranje, geel, groen of blauw licht uitstralen, waardoor acenen gemakkelijker in een verscheidenheid aan toepassingen kunnen worden ingezet.

"Deze klasse moleculen heeft, ondanks hun bruikbaarheid, uitdagingen wat betreft hun reactiviteitsprofiel", zegt Robert Gilliard, universitair hoofddocent scheikunde bij Novartis aan het MIT en senior auteur van de nieuwe studie. "Wat we in dit onderzoek in de eerste plaats probeerden aan te pakken, was het stabiliteitsprobleem, en ten tweede wilden we verbindingen maken waarbij je een instelbaar bereik van lichtemissie kon hebben."

MIT-onderzoeker Chun-Lin Deng is de hoofdauteur van het artikel, dat verschijnt in Nature Chemistry .

Kleurrijke moleculen

Acenen bestaan ​​uit benzeenmoleculen – ringen gemaakt van koolstof en waterstof – die op een lineaire manier met elkaar zijn versmolten. Omdat ze rijk zijn aan deelbare elektronen en efficiënt een elektrische lading kunnen transporteren, worden ze gebruikt als halfgeleiders en veldeffecttransistors (transistors die een elektrisch veld gebruiken om de stroomstroom in een halfgeleider te regelen).

Recent werk heeft aangetoond dat acenen waarin sommige koolstofatomen zijn vervangen, of "gedoteerd", met boor en stikstof, nog nuttiger elektronische eigenschappen hebben. Echter, net als traditionele acenen, zijn deze moleculen onstabiel bij blootstelling aan lucht of licht.

Vaak moeten acenen worden gesynthetiseerd in een afgesloten container, een zogenaamde handschoenenkast, om ze te beschermen tegen blootstelling aan de lucht, waardoor ze kunnen afbreken. Hoe langer de acenen zijn, hoe gevoeliger ze zijn voor ongewenste reacties veroorzaakt door zuurstof, water of licht.

Om te proberen acenen stabieler te maken, besloot Gilliard een ligand te gebruiken waar zijn laboratorium eerder mee heeft gewerkt, bekend als carbodicarbenen. In een vorig jaar gepubliceerd onderzoek gebruikten ze dit ligand om borafluoreniumionen te stabiliseren, organische verbindingen die verschillende kleuren licht kunnen uitstralen als reactie op temperatuurveranderingen.

Voor deze studie ontwikkelden Gilliard en zijn co-auteurs een nieuwe synthese waarmee ze carbodicarbenen konden toevoegen aan acenen die ook zijn gedoteerd met boor en stikstof. Door de toevoeging van het nieuwe ligand werden de acenen positief geladen, wat hun stabiliteit verbeterde en hen ook unieke elektronische eigenschappen gaf.

Met behulp van deze aanpak creëerden de onderzoekers acenen die verschillende kleuren produceren, afhankelijk van hun lengte en de soorten chemische groepen die aan het carbodicarbeen zijn gehecht. Tot nu toe konden de meeste gesynthetiseerde met boor en stikstof gedoteerde acenen alleen blauw licht uitstralen.

"Rode emissie is erg belangrijk voor uiteenlopende toepassingen, inclusief biologische toepassingen zoals beeldvorming", zegt Gilliard. "Veel menselijk weefsel straalt blauw licht uit, dus het is moeilijk om blauw-fluorescerende sondes te gebruiken voor beeldvorming, wat een van de vele redenen is waarom mensen op zoek zijn naar rode emitters."

Betere stabiliteit

Een ander belangrijk kenmerk van deze acenen is dat ze stabiel blijven in zowel lucht als water. Boriumhoudende geladen moleculen met een laag coördinatiegetal (wat betekent dat het centrale booratoom weinig buren heeft) zijn vaak zeer onstabiel in water, dus de stabiliteit van de acenen in water is opmerkelijk en zou het haalbaar kunnen maken om ze te gebruiken voor beeldvorming en andere medische toepassingen. .

"Een van de redenen waarom we enthousiast zijn over de klasse van verbindingen die we in dit artikel rapporteren, is dat ze in water kunnen worden gesuspendeerd. Dat opent een breed scala aan mogelijkheden", zegt Gilliard.

De onderzoekers zijn nu van plan om te proberen verschillende soorten carbodicarbenen te integreren om te zien of ze extra acenen kunnen creëren met een nog betere stabiliteit en kwantumefficiëntie (een maatstaf voor hoeveel licht er door het materiaal wordt uitgezonden).

"We denken dat het mogelijk zal zijn om veel verschillende derivaten te maken die we nog niet eens hebben gesynthetiseerd", zegt Gilliard. "Er zijn veel opto-elektronische eigenschappen die we kunnen instellen en die we nog moeten onderzoeken, en daar zijn we ook enthousiast over."

Gilliard is ook van plan om samen te werken met Marc Baldo, een MIT-professor elektrotechniek, om te proberen de nieuwe acenen te integreren in een type zonnecel die bekend staat als een op enkelvoudige kernsplijting gebaseerde zonnecel. Dit type zonnecel kan uit één foton twee elektronen produceren, waardoor de cel veel efficiënter wordt.

Dit soort verbindingen zouden ook kunnen worden ontwikkeld voor gebruik als lichtgevende diodes voor televisie- en computerschermen, zegt Gilliard. Organische lichtgevende diodes zijn lichter en flexibeler dan traditionele LED's, produceren helderdere beelden en verbruiken minder stroom.

"We bevinden ons nog in de allereerste fase van de ontwikkeling van de specifieke toepassingen, of het nu gaat om organische halfgeleiders, lichtgevende apparaten of op singlet-splijting gebaseerde zonnecellen, maar vanwege hun stabiliteit zou de fabricage van apparaten veel soepeler moeten zijn dan normaal. voor dit soort verbindingen", zegt Gilliard.

"Door reactieve nulwaardige koolstof- en kationische boorsoorten te combineren, baant dit creatieve werk met een niet-traditioneel paradigma zeker een veelbelovende weg naar de ontwikkeling van zeer lucht- en fotostabiele lichtuitstralende materialen en miniatuurapparaten voor het oogsten van energie", zegt Tiow-Gan Ong. , adjunct-directeur van het Institute of Chemistry aan de Academia Sinica in China, die niet betrokken was bij het onderzoek.

Meer informatie: Chun-Lin Deng et al, Lucht- en fotostabiele lichtgevende carbodicarbeen-azaboraaceniumionen, Natuurchemie (2023). DOI:10.1038/s41557-023-01381-0

Journaalinformatie: Natuurchemie

Aangeboden door Massachusetts Institute of Technology

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.