Kedjor av smälta kolhaltiga ringar har unika optoelektroniska egenskaper som gör dem användbara som halvledare. Dessa kedjor, kända som acener, kan också ställas in för att avge olika färger av ljus, vilket gör dem till goda kandidater för användning i organiska lysdioder.
Färgen på ljus som avges av en acen bestäms av dess längd, men när molekylerna blir längre blir de också mindre stabila, vilket har hindrat deras utbredda användning i ljusemitterande tillämpningar.
Kemister från MIT har nu kommit på ett sätt att göra dessa molekyler mer stabila, så att de kan syntetisera acener av varierande längd. Med hjälp av deras nya tillvägagångssätt kunde de bygga molekyler som avger rött, orange, gult, grönt eller blått ljus, vilket kan göra acenes lättare att använda i en mängd olika applikationer.
"Denna klass av molekyler, trots deras användbarhet, har utmaningar när det gäller deras reaktivitetsprofil", säger Robert Gilliard, Novartis docent i kemi vid MIT och senior författare till den nya studien. "Det vi försökte ta itu med i den här studien var först stabilitetsproblemet, och för det andra ville vi göra föreningar där du kunde ha ett inställbart intervall för ljusemission."
MIT-forskaren Chun-Lin Deng är huvudförfattaren till artikeln, som visas i Nature Chemistry .
Acener består av bensenmolekyler - ringar gjorda av kol och väte - sammansmälta på ett linjärt sätt. Eftersom de är rika på delbara elektroner och effektivt kan transportera en elektrisk laddning, har de använts som halvledare och fälteffekttransistorer (transistorer som använder ett elektriskt fält för att styra strömflödet i en halvledare).
Nyligen arbete har visat att acener där några av kolatomerna är ersatta, eller "dopade", med bor och kväve har ännu mer användbara elektroniska egenskaper. Men liksom traditionella acener är dessa molekyler instabila när de utsätts för luft eller ljus.
Ofta måste acener syntetiseras i en förseglad behållare som kallas handskfack för att skydda dem från luftexponering, vilket kan leda till att de bryts ner. Ju längre acenerna är, desto mer mottagliga är de för oönskade reaktioner som initieras av syre, vatten eller ljus.
För att försöka göra acen mer stabil bestämde sig Gilliard för att använda en ligand som hans labb tidigare arbetat med, känd som karbodikarbener. I en studie som publicerades förra året använde de denna ligand för att stabilisera borafluoreniumjoner, organiska föreningar som kan avge olika färger av ljus som svar på temperaturförändringar.
För denna studie utvecklade Gilliard och hans medförfattare en ny syntes som gjorde det möjligt för dem att lägga till karbodikarbener till acener som också är dopade med bor och kväve. Med tillsatsen av den nya liganden blev acenerna positivt laddade, vilket förbättrade deras stabilitet och även gav dem unika elektroniska egenskaper.
Med detta tillvägagångssätt skapade forskarna acener som producerar olika färger, beroende på deras längd och vilka typer av kemiska grupper som är fästa vid karbodikarbenen. Hittills kunde de flesta bor, kvävedopade acener som hade syntetiserats endast avge blått ljus.
"Röd emission är mycket viktig för breda tillämpningar, inklusive biologiska tillämpningar som avbildning," säger Gilliard. "Mycket mänsklig vävnad avger blått ljus, så det är svårt att använda blåfluorescerande prober för avbildning, vilket är en av många anledningar till att människor letar efter röda strålare."
En annan viktig egenskap hos dessa acener är att de förblir stabila i både luft och vatten. Borinnehållande laddade molekyler med ett lågt koordinationstal (vilket betyder att den centrala boratomen har få grannar) är ofta mycket instabila i vatten, så acenes stabilitet i vatten är anmärkningsvärd och skulle kunna göra det möjligt att använda dem för avbildning och andra medicinska tillämpningar .
"En av anledningarna till att vi är entusiastiska över den klass av föreningar som vi rapporterar i denna tidning är att de kan suspenderas i vatten. Det öppnar upp för ett brett spektrum av möjligheter", säger Gilliard.
Forskarna planerar nu att försöka införliva olika typer av karbodikarbener för att se om de kan skapa ytterligare acener med ännu bättre stabilitet och kvanteffektivitet (ett mått på hur mycket ljus som emitteras från materialet).
"Vi tror att det kommer att vara möjligt att göra många olika derivat som vi inte ens har syntetiserat ännu," säger Gilliard. "Det finns många optoelektroniska egenskaper som kan slås in som vi ännu inte har utforskat, och vi är glada över det också."
Gilliard planerar också att arbeta med Marc Baldo, en MIT-professor i elektroteknik, för att försöka införliva de nya acenerna i en typ av solcell känd som en singelklyvningsbaserad solcell. Den här typen av solceller kan producera två elektroner från en foton, vilket gör cellen mycket mer effektiv.
Dessa typer av föreningar kan också utvecklas för användning som lysdioder för TV- och datorskärmar, säger Gilliard. Organiska lysdioder är lättare och mer flexibla än traditionella lysdioder, ger ljusare bilder och förbrukar mindre ström.
"Vi är fortfarande i de mycket tidiga stadierna av att utveckla de specifika applikationerna, oavsett om det är organiska halvledare, ljusemitterande enheter eller singlet-fission-baserade solceller, men på grund av deras stabilitet bör tillverkningen av enheten vara mycket smidigare än normalt. för den här typen av föreningar", säger Gilliard.
"Genom att kombinera reaktivt nollvalent kol och katjoniska borarter banar detta kreativa arbete med ett otraditionellt paradigm verkligen en lovande väg mot utvecklingen av mycket luft- och fotostabila ljusavgivande material och miniatyrenheter för energiskörd", säger Tiow-Gan Ong. , biträdande chef för Institute of Chemistry vid Academia Sinica i Kina, som inte var involverad i forskningen.
Mer information: Chun-Lin Deng et al, Luft- och fotostabila luminescerande karbodikarben-azaboraaceniumjoner, Nature Chemistry (2023). DOI:10.1038/s41557-023-01381-0
Journalinformation: Naturkemi
Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
