Forskare har upptäckt en grupp material som kan bana väg för en ny generation av högeffektiv belysning, lösa ett problem som har hämmat prestandan hos displayteknik i decennier. Utvecklingen av energibesparande koncept i display- och belysningstillämpningar är ett stort fokus för forskning, eftersom en femtedel av världens elektricitet används för att generera ljus.
Skriver in Vetenskap Denna vecka, laget, från University of Cambridge, University of East Anglia och University of Eastern Finland, beskriver hur man utvecklade en ny typ av material som använder roterbara molekyler för att avge ljus snabbare än någonsin tidigare. Det kan leda till tv-apparater, smarttelefonskärmar och rumsbelysning som är mer energieffektiva, ljusare och mer hållbara än de som för närvarande finns på marknaden.
Motsvarande författare, Dr Dan Credgington, vid University of Cambridges Cavendish Laboratory, säger:"Det är häpnadsväckande att den allra första demonstrationen av denna nya typ av material redan slår prestandan hos teknologier som har tagit decennier att utveckla. Om effekten vi har upptäckt kan utnyttjas över hela spektrumet, det kan förändra hur vi genererar ljus."
Molekylära material är drivkraften bakom moderna organiska ljusemitterande dioder (OLED). Uppfanns på 1980-talet, dessa enheter avger ljus när elektricitet appliceras på de organiska (kolbaserade) molekylerna i dem. OLED-belysning används nu flitigt i tv-apparater, datorer och mobiltelefoner. Men det måste övervinna en grundläggande fråga som har begränsad effektivitet när det gäller att omvandla elektrisk energi till ljus.
Att passera en elektrisk ström genom dessa molekyler försätter dem i ett exciterat tillstånd, men endast 25 % av dessa är "ljusa" tillstånd som kan avge ljus snabbt. De återstående 75 % är "mörka" tillstånd som vanligtvis slösar bort sin energi eftersom värme begränsar effektiviteten hos OLED-enheten. Detta driftsätt producerar mer värme än ljus precis som i en gammaldags glödlampa. Den bakomliggande orsaken är en kvantegenskap som kallas "spin" och de mörka tillstånden har fel typ.
Ett sätt att ta itu med detta problem är att använda sällsynta element, som iridium, som hjälper de mörka tillstånden att avge ljus genom att låta dem ändra sitt spinn. Problemet är att den här processen tar för lång tid, så energin som binds upp i mörka tillstånd kan byggas upp till skadliga nivåer och göra OLED:n instabil. Denna effekt är ett sådant problem för blått emitterande material (blått ljus har den högsta energin av alla färger) att, i praktiken, tillvägagångssättet kan inte användas.
Kemister vid University of East Anglia har nu utvecklat en ny typ av material där två olika organiska molekyler är sammanfogade av en atom av koppar eller guld. Den resulterande strukturen ser lite ut som en propeller. Föreningarna, som kan göras genom en enkel en-kärl-procedur från lättillgängliga material, visade sig vara överraskande självlysande. Genom att rotera sin "propeller", mörka tillstånd som bildas på dessa material blir vridna, vilket gör att de kan ändra sitt snurr snabbt. Processen ökar avsevärt hastigheten med vilken elektrisk energi omvandlas till ljus, vilket uppnår en verkningsgrad på nästan 100 % och förhindrar skadlig uppbyggnad av mörka tillstånd.
Dr Dawei Di och Dr Le Yang, från Cambridge, var medförfattare, tillsammans med Dr Alexander Romanov, från UEA. Han säger:
"Vår upptäckt att enkla föreningar av koppar och guld kan användas som ljusa och effektiva material för OLED:er visar hur kemi kan ge påtagliga fördelar för samhället. Alla tidigare försök att bygga OLED:er baserade på dessa metaller har lett till endast medelmåttiga framgångar. Problemet är att dessa material krävde att de sofistikerade organiska molekylerna var bundna med koppar men inte har uppfyllt industriella standarder. Våra resultat tar itu med en pågående forsknings- och utvecklingsutmaning som kan ge överkomliga högteknologiska OLED-produkter till alla hem."
Beräkningsmodellering spelade en viktig roll för att avslöja detta nya sätt att utnyttja intramolekylära vridningsrörelser för energiomvandling.
Professor Mikko Linnolahti, vid Östra Finlands universitet, var detta gjordes, kommentarer:
"Detta arbete utgör fallstudien för hur vi kan förklara principerna bakom funktionen hos dessa nya material och deras tillämpning i OLEDS."
Nästa steg är att designa nya molekyler som drar full nytta av denna mekanism, med det slutliga målet att helt ta bort behovet av sällsynta element. Detta skulle lösa det mest långvariga problemet på området - hur man gör OLED:er utan att behöva kompromissa mellan effektivitet och stabilitet.
Medförfattare, Dr Dawei Di, från Cavendish Laboratory, säger:
"Vårt arbete visar att spinn i exciterat tillstånd och molekylär rörelse kan samverka för att starkt påverka prestandan hos OLED. Detta är en utmärkt demonstration av hur kvantmekanik, en viktig gren av grundläggande vetenskap, kan få direkta konsekvenser för en kommersiell applikation som har en enorm global marknad."
