חוקרים פיתחו קווים מנחים חדשים לתכנון מולקולרי המונעים מאלקטרונים לאבד אנרגיה באמצעות רעידות אטומיות. חידושים אלה מבטיחים לחולל מהפכה ביעילותן של מולקולות אורגניות המשמשות ב-OLED, חיישנים והדמיה ביו-רפואית. קרדיט: twoday.co.il.com
כללי עיצוב מולקולריים חדשים שהתגלו באמצעות טכניקות ספקטרוסקופיות מבוססות לייזר מאפשרים ניתוק של אלקטרונים מרעידות אטומיות, מה שמוביל לשיפור משמעותי בביצועים ביישומים כגון OLEDs והדמיה ביו-רפואית.
מאז גילוי מכניקת הקוונטים לפני יותר ממאה שנים, ידוע שניתן לחבר אלקטרונים במולקולות לתנועת האטומים המרכיבים את המולקולות. המכונה לעתים קרובות תנודות מולקולריות, תנועת האטומים פועלת כמו קפיצים זעירים, העוברים תנועה תקופתית.
עבור אלקטרונים במערכות אלה, חיבור לירך עם תנודות אלה פירושו שהם נמצאים בתנועה מתמדת גם הם, רוקדים לפי מנגינה של האטומים, בטווחי זמן של מיליונית מיליארדית השנייה. אבל כל הריקוד הזה מוביל לאובדן אנרגיה ומגביל את הביצועים של מולקולות אורגניות ביישומים כמו דיודות פולטות אור (OLED), חיישני אינפרא אדום וסמנים ביולוגיים פלואורסצנטיים המשמשים בחקר תאים ולתיוג מחלות כמו תאים סרטניים.
פריצת דרך בעיצוב מולקולרי
כעת, חוקרים המשתמשים בטכניקות ספקטרוסקופיות מבוססות לייזר גילו 'כללי עיצוב מולקולרי חדשים' המסוגלים לעצור את הריקוד המולקולרי הזה. התוצאות שלהם, דווחו ב טֶבַעחשפו עקרונות עיצוב מכריעים שיכולים לעצור את הצימוד של אלקטרונים לתנודות אטומיות, ולמעשה לכבות את הריקוד הקדחתני שלהם ולהניע את המולקולות להשגת ביצועים שאין שני להם.
איור של אמן של תכונת פליטת אור של מולקולות אורגניות המווסתת על ידי ריקוד קוונטי של האטומים. קרדיט: Pratyush Ghosh, Cavendish Laboratory, University of Cambridge, עריכה
"כל המולקולות האורגניות, כמו אלו שנמצאות בתאים חיים או בתוך המסך של הטלפון שלך מורכבות מאטומי פחמן המחוברים זה לזה באמצעות קשר כימי", אמר סטודנט לדוקטורט של קוונדיש, פראטיוש גוש, הסופר הראשון של המחקר וחבר ב-St John's מִכלָלָה.
"הקשרים הכימיים האלה הם כמו קפיצים זעירים רוטטים, המורגשים בדרך כלל על ידי אלקטרונים, ופוגעים בביצועים של מולקולות והתקנים. עם זאת, מצאנו כעת שמולקולות מסוימות יכולות להימנע מהשפעות מזיקות אלה כאשר אנו מגבילים את המבנה הגיאומטרי והאלקטרוני של המולקולה לכמה תצורות מיוחדות."
כדי להדגים את עקרונות התכנון הללו, המדענים תכננו סדרה של מולקולות יעילות הפולטות כמעט אינפרא אדום (680-800 ננומטר). במולקולות אלה, הפסדי אנרגיה שנבעו מרטט – בעיקרו של דבר, אלקטרונים רוקדים לצלילי אטומים – היו נמוכים ביותר מפי 100 מאשר במולקולות אורגניות קודמות.
ההבנה והפיתוח של כללים חדשים לעיצוב מולקולות פולטות אור פתחו מסלול מעניין ביותר לעתיד, שבו ניתן ליישם את התצפיות הבסיסיות הללו על תעשיות.
יישומים פוטנציאליים וכיוונים עתידיים
"למולקולות האלה יש גם מגוון רחב של יישומים כיום. המשימה כעת היא לתרגם את הגילוי שלנו ליצירת טכנולוגיות טובות יותר, מתצוגה משופרת למולקולות משופרות להדמיה ביו-רפואית וגילוי מחלות", סיכם פרופסור אקשי ראו ממעבדת קוונדיש, שהוביל את המחקר הזה.
