Sedan upptäckten av kvantmekaniken för mer än hundra år sedan har det varit känt att elektroner i molekyler kan kopplas till rörelsen hos atomerna som utgör molekylerna. Ofta kallade molekylära vibrationer fungerar atomernas rörelse som små fjädrar som genomgår periodisk rörelse.
För elektroner i dessa system innebär att de är förenade med höften med dessa vibrationer att de också ständigt är i rörelse och dansar i takt med atomerna, på tidsskalor av en miljondels miljarddels sekund. Men allt det här dansandet leder till en förlust av energi och begränsar prestandan hos organiska molekyler i applikationer som lysdioder (OLED), infraröda sensorer och fluorescerande biomarkörer som används i studier av celler och för att märka sjukdomar som cancerceller.
Nu har forskare som använder laserbaserade spektroskopiska tekniker upptäckt "nya regler för molekylär design" som kan stoppa denna molekylära dans. Deras resultat, rapporterade i Nature , avslöjade avgörande designprinciper som kan stoppa kopplingen av elektroner till atomvibrationer, vilket i själva verket stänger av deras hektiska dans och driver molekylerna för att uppnå oöverträffad prestanda.
"Alla organiska molekyler, som de som finns i levande celler eller på skärmen på din telefon, består av kolatomer anslutna till varandra via en kemisk bindning", säger Cavendish Ph.D. student Pratyush Ghosh, första författare till studien och medlem av St John's College.
"De kemiska bindningarna är som små vibrerande fjädrar, som i allmänhet känns av elektroner, vilket försämrar prestandan hos molekyler och enheter. Men vi har nu funnit att vissa molekyler kan undvika dessa skadliga effekter när vi begränsar molekylens geometriska och elektroniska struktur till vissa speciella konfigurationer."
För att demonstrera dessa designprinciper designade forskarna en serie effektiva nära-infraröda (680–800 nm) molekyler. I dessa molekyler var energiförlusterna till följd av vibrationer – i huvudsak elektroner som dansar i takt med atomer – mer än 100 gånger lägre än i tidigare organiska molekyler.
Denna förståelse och utveckling av nya regler för att designa ljusemitterande molekyler har öppnat en extremt intressant bana för framtiden, där dessa grundläggande observationer kan tillämpas på industrier.
"Dessa molekyler har också ett brett spektrum av tillämpningar idag. Uppgiften nu är att översätta vår upptäckt till att skapa bättre teknologier, från förbättrade skärmar till förbättrade molekyler för biomedicinsk avbildning och sjukdomsdetektering", avslutade professor Akshay Rao från Cavendish Laboratory, som ledde denna forskning.
Mer information: Akshay Rao, Frikoppling av excitoner från högfrekventa vibrationer i organiska molekyler, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07246-x. www.nature.com/articles/s41586-024-07246-x
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av University of Cambridge
