Двойният живот на една молекула: дисплей на смартфона през деня, хирургически асистент през нощта

Оказа се, че OLED технологията безупречно спасява човешките животи.

Учени от университета в Кюшу представиха органична молекула, която съчетава две несъвместими досега качества – изключителна ефективност на светлинното излъчване и способност за дълбоко проникващо поглъщане, без да уврежда живата тъкан. Тази комбинация е обещаваща за технологии, които могат да работят едновременно в потребителската електроника и медицината – от ярки и икономични OLED дисплеи до високопрецизна неинвазивна диагностика.

OLED екраните, които днес се използват в смартфоните, телевизорите и носимата електроника, все повече се усъвършенстват с механизма на термично активираната забавена флуоресценция (TADF). Той позволява енергията на триплетните състояния, която обикновено се губи, да се преобразува в синглетно светене, като се използва топлината на околната среда. Така се получава по-ярко изображение с по-малко потребление на енергия.

В медицинските изображения друг подход – двуфотонната абсорбция (2PA) – се използва за работа с дълбоки тъканни слоеве. Той позволява на дадена молекула да абсорбира едновременно два фотона с по-ниска енергия, което намалява разсейването на светлината и свежда до минимум топлинното увреждане на клетките. Възбуждането се осъществява строго във фокуса на лазера, което осигурява висока яснота и безопасност на изображенията.

Проблемът се състои в това, че силният TADF и високият 2PA изискват противоположни свойства на молекулярната архитектура. TADF изисква усукана структура с разделени електронни орбитали, докато 2PA изисква плоска структура с максимално припокриване. Тези изисквания отдавна пречат на създаването на универсален материал.

Екипът, ръководен от Юхей Читосе, е разработил CzTRZCN – молекула, която съчетава електроннодефицитен карбазолов фрагмент и електроннодефицитно триазиново ядро, допълнени с цианови групи за фина настройка на орбиталното разпределение. Тази конфигурация действа като „превключвател“: когато поглъща светлината, молекулата запазва припокриващи се орбитали, осигурявайки ефективно двуфотонно поглъщане, докато след възбуждане променя структурата си, споделяйки орбитали за TADF луминесценция.

Теоретичните изчисления и експериментите потвърдиха, че CzTRZCN успешно съчетава и двете функции. Като част от OLED устройство, той постигна външна квантова ефективност от 13,5%, което е рекордна стойност за TADF материали на базата на триазин. В същото време бяха регистрирани високо 2PA сечение и интензивна луминесценция, което прави молекулата обещаваща за биомедицинско изобразяване.

Друго предимство на CzTRZCN е неговата органична природа – без метали и ниска токсичност, което прави материала биосъвместим и подходящ за медицински сонди и сензори. Той би могъл да бъде особено полезен при техниките на флуоресцентна микроскопия с времево разпределение .

Авторите на изследването смятат, че предложената стратегия – създаването на молекули с различно орбитално устройство за фазите на поглъщане и излъчване – може да бъде основа за разработването на цял клас многофункционални материали, които да не се ограничават само до областта на медицината или дисплеите. Екипът планира да разшири обхвата на излъчваните дължини на вълните и да си сътрудничи с инженери по биомедицина и електроника. Възможните направления включват сензори за носене на тялото, усъвършенствани OLED панели и системи за диагностика от типа in vivo.