به گزارش خبرنگار علم و فناوری ایسکانیوز؛ محققان آزمایشگاه کاوندیش در دانشگاه کمبریج در یک رویکرد تازه، از «آنتن‌های مولکولی» برای هدایت انرژی الکتریکی به نانوذراتی استفاده کردند که به ‌طور معمول قادر به هدایت جریان نیستند. این پیشرفت به ایجاد یک دسته کاملاً جدید از LEDهای نزدیک‌ به‌ فروسرخ بسیار خالص منجر شد؛ دستگاه‌هایی که می‌توانند در تشخیص‌های پزشکی، ارتباطات نوری و فناوری‌های حسگری کاربردهای مهمی داشته باشند.

این پژوهشگران راهی یافته‌اند که نانوذرات عایق را ـ که پیش‌تر تحت شرایط عادی فعال‌سازی الکتریکی آنها «غیرممکن» تلقی می‌شد ـ از نظر الکتریکی روشن کنند. با اتصال مولکول‌های آلی که مانند آنتن‌های کوچک عمل می‌کنند، آنها نخستین دیودهای نشر نور (LED) مبتنی بر این نانوذرات را تولید کردند. این یافته‌ها که در نشریه نیچر منتشر شده، مسیر تازه‌ای برای طراحی نسل آینده دستگاه‌هایی باز می‌کند که می‌توانند از تصویربرداری پزشکی عمیق‌تری پشتیبانی کنند یا انتقال داده‌های سریع‌تری فراهم آورند.

پژوهش بر نانوذرات آلاییده به لانتانید (LnNPs) تمرکز دارد؛ موادی که به‌ دلیل تولید نور فوق‌العاده خالص و پایدار شناخته می‌شوند. نشر این ذرات به‌ویژه در ناحیه دوم نزدیک ‌به‌ فروسرخ بسیار قوی است؛ طول ‌موجی که قابلیت عبور از بافت‌های زیستی متراکم را دارد. با وجود این مزایا، نبود رسانایی الکتریکی باعث شده بود نتوان از این مواد در قطعات الکترونیکی مانند LED استفاده کرد.

استاد اکشای رائو، سرپرست تیم پژوهشی، می‌گوید: این نانوذرات گسیل‌کننده‌های نوری فوق‌العاده‌ای هستند، اما نمی‌توانستیم آنها را با برق تغذیه کنیم. این یک مانع بزرگ بود که اجازه نمی‌داد وارد فناوری روزمره شوند. ما عملاً یک “راه پشتی” برای فعال‌سازی آنها پیدا کرده‌ایم. مولکول‌های آلی مثل آنتن عمل می‌کنند و حامل‌های بار را جذب کرده و سپس از طریق یک فرآیند انتقال انرژی تریپلت، که به ‌طور شگفت‌انگیزی کارآمد است، آن را به نانوذره منتقل می‌کنند.

رویکرد هوشمندانه هیبریدی

پژوهشگران دانشگاه کمبریج با توسعه یک ماده هیبریدی که اجزای آلی و معدنی را ترکیب می‌کند، این مشکل را حل کردند. آنها یک رنگینه آلی با گروه اتصال فعال به نام ۹-آنتراسن‌کربوکسیلیک اسید (۹-ACA) را به سطح بیرونی LnNPها متصل کردند. در LEDهای ساخته‌شده، بارهای الکتریکی به‌جای ورود به نانوذره، وارد این مولکول‌های ۹-ACA می‌شوند که نقش «آنتن مولکولی» را ایفا می‌کنند.

پس از دریافت انرژی، این مولکول‌ها وارد حالت برانگیخته تریپلت می‌شوند؛ حالتی که در اغلب سامانه‌های نوری «تاریک» محسوب شده و معمولاً بلااستفاده می‌ماند. اما در این طراحی، بیش از ۹۸ درصد انرژی این حالت تریپلت به یون‌های لانتانید داخل نانوذرات منتقل می‌شود و تابشی درخشان و کارآمد تولید می‌کند.

این روش جدید امکان فعال‌سازی LEDهای «LnLED» را با ولتاژ حدود پنج ولت فراهم می‌کند و نشر الکتریکی با پهنای طیفی فوق‌العاده باریک تولید می‌کند؛ پهنایی که بسیار خالص‌تر از فناوری‌های مشابه مانند نقاط کوانتومی است.

دکتر ژونگ‌ژنگ یو، نویسنده اصلی این مقاله، می‌گوید: خلوص نور گسیل‌شده در پنجره دوم فروسرخ، مزیت بسیار بزرگی است. برای کاربردهایی مثل حسگری زیست‌پزشکی یا ارتباطات نوری، داشتن طول‌موجی بسیار دقیق و تیز حیاتی است. دستگاه‌های ما این ویژگی را به‌ طور طبیعی به‌دست می‌آورند، کاری که با مواد دیگر معمولاً بسیار دشوار است.

کاربردهای پزشکی، مخابرات نوری و حسگری

این کشف مجموعه‌ای گسترده از کاربردها را امکان‌پذیر می‌کند. با توانایی گسیل نور بسیار خالص هنگام تغذیه الکتریکی، این نانوذرات می‌توانند به توسعه دستگاه‌های پزشکی نسل آینده کمک کنند.

LEDهای بسیار کوچک، تزریقی یا پوشیدنی مبتنی بر LnNP ممکن است برای تصویربرداری عمیق بافتی، تشخیص سرطان، پایش برخط عملکرد اعضای بدن، یا فعال‌سازی دقیق داروهای حساس به نور استفاده شوند. خلوص بالا و پهنای طیفی باریک نور ساطع‌شده همچنین برای سیستم‌های ارتباط نوری سریع‌تر و واضح‌تر مفید است؛ زیرا امکان انتقال داده با تداخل کمتر را فراهم می‌کند.

این فناوری می‌تواند به ساخت حسگرهای فوق‌حساس برای شناسایی مواد شیمیایی یا نشانگرهای زیستی نیز منجر شود.

تیم تحقیقاتی تاکنون بازده کوانتومی خارجی بیش از ۰/۶ درصد را برای LEDهای NIR-II خود نشان داده است؛ نتیجه‌ای بسیار امیدوارکننده برای یک دستگاه نسل اول. آنها مسیرهای روشنی نیز برای بهبود بیشتر مشخص کرده‌اند.

دکتر یونژو دنگ می‌گوید: این تازه آغاز کار است. ما یک کلاس کاملاً جدید از مواد را برای اپتوالکترونیک فعال کرده‌ایم. اصل بنیادی این فناوری آنقدر انعطاف‌پذیر است که اکنون می‌توانیم ترکیب‌های بی‌شماری از مولکول‌های آلی و نانومواد عایق را بررسی کنیم. این امکان ساخت دستگاه‌هایی را می‌دهد که خواص آنها دقیقاً برای کاربردهای خاص طراحی شده‌اند — حتی کاربردهایی که هنوز به آنها فکر نکرده‌ایم.

انتهای پیام/