Un avance en LEDs que promete revolucionar la tecnología médica y de comunicación

Un equipo de científicos de la Universidad de Cambridge presentó un innovador método que utiliza "antenas moleculares" para dirigir energía eléctrica hacia nanopartículas aislantes. Este avance permite la creación de una nueva familia de diodos emisores de luz (LED) que emiten luz infrarroja extremadamente pura, con aplicaciones potenciales en diagnósticos médicos, sistemas de comunicación óptica y detectores sensibles.

Los investigadores del Cavendish Laboratory lograron introducir corriente eléctrica en materiales que normalmente no conducen, un logro que se consideraba imposible en condiciones normales. Al acoplar moléculas orgánicas seleccionadas que actúan como pequeñas antenas, construyeron los primeros LEDs a partir de nanopartículas aislantes. Este trabajo, publicado en la revista Nature, abre la puerta a una nueva generación de dispositivos para imágenes biomédicas en tejidos profundos y transmisión de datos de alta velocidad.

El equipo se centró en nanopartículas dopadas con lantánidos (LnNPs), un tipo de material conocido por producir luz extremadamente pura y estable. Estas nanopartículas son especialmente efectivas en la segunda región del infrarrojo cercano, capaz de penetrar profundamente en los tejidos biológicos. Sin embargo, su carácter eléctricamente aislante había impedido su integración en componentes electrónicos estándar como los LEDs.

El profesor Akshay Rao, líder de la investigación, comentó: "Estas nanopartículas son emisores de luz fantásticos, pero no podíamos alimentarlas con electricidad. Era una barrera importante que impedía su uso en tecnología cotidiana. Hemos encontrado esencialmente una puerta trasera para alimentarlas. Las moléculas orgánicas actúan como antenas, capturando portadores de carga y luego 'susurrándolos' a la nanopartícula a través de un proceso especial de transferencia de energía triplete, que es sorprendentemente eficiente".

Diseño Híbrido Orgánico-Inorgánico con Antenas Moleculares

Para superar el problema de aislamiento, los investigadores crearon una estructura híbrida orgánico-inorgánica. Acoplaron un colorante orgánico con un grupo funcional, llamado ácido 9-antracenecarboxílico (9-ACA), a la superficie de las LnNPs. En los nuevos LEDs, las cargas eléctricas se inyectan en estas moléculas 9-ACA, que actúan como una antena molecular, en lugar de inyectarse directamente en las nanopartículas.

Una vez energizadas, las moléculas 9-ACA entran en un estado triplete excitado. En muchos sistemas ópticos, este estado triplete se considera "oscuro", lo que significa que su energía a menudo se pierde en lugar de convertirse en luz útil. Sin embargo, en este diseño, la energía del estado triplete se transfiere con más del 98% de eficiencia a los iones de lantánido dentro de las nanopartículas aislantes, provocando que emitan luz con un brillo notable.

Luz Infrarroja Pura a Baja Tensión

Con este método, los "LnLEDs" del equipo pueden activarse con un voltaje de funcionamiento relativamente bajo de aproximadamente 5 voltios. Al mismo tiempo, generan electroluminiscencia con un ancho espectral extremadamente estrecho. Esto hace que la emisión sea mucho más pura que la de muchas tecnologías competidoras, incluidos los puntos cuánticos (QDs).

El Dr. Zhongzheng Yu, coautor del estudio y asociado de investigación postdoctoral en el Cavendish Laboratory, afirmó: "La pureza de la luz en la ventana infrarroja cercana emitida por nuestros LnLEDs es una gran ventaja. Para aplicaciones como la detección biomédica o las comunicaciones ópticas, se desea una longitud de onda muy específica y aguda. Nuestros dispositivos logran esto sin esfuerzo, algo que es muy difícil de hacer con otros materiales".

Potencial en Imágenes Biomédicas, Comunicaciones Ópticas y Sensores

Debido a que estas nanopartículas eléctricamente alimentadas pueden emitir luz tan limpia y bien definida, podrían formar la base de tecnologías médicas avanzadas. Pequeños LnLEDs, potencialmente inyectables o integrados en dispositivos portátiles, podrían utilizarse para imágenes en tejidos profundos para detectar cánceres, rastrear la función de órganos en tiempo real o activar medicamentos sensibles a la luz con alta precisión.

Su salida espectral estrecha también los hace atractivos para comunicaciones ópticas, donde longitudes de onda puras y estables pueden ayudar a enviar más datos con menos interferencias. Además, esta plataforma podría soportar sensores altamente sensibles que detecten químicos o marcadores biológicos específicos, mejorando las herramientas de diagnóstico y el monitoreo ambiental.

Rendimiento de Primera Generación y Direcciones Futuras

En pruebas iniciales, los investigadores lograron una eficiencia cuántica externa máxima superior al 0.6% para sus LEDs NIR-II. Para un dispositivo de primera generación construido a partir de nanopartículas aislantes alimentadas eléctricamente, este rendimiento se considera muy prometedor. El equipo también ha identificado rutas claras para mejorar aún más la eficiencia en futuros diseños.

El Dr. Yunzhou Deng, asociado de investigación postdoctoral en el Cavendish Laboratory, agregó: "Esto es solo el comienzo. Hemos desbloqueado toda una nueva clase de materiales para optoelectrónica. El principio fundamental es tan versátil que ahora podemos explorar innumerables combinaciones de moléculas orgánicas y nanomateriales aislantes. Esto nos permitirá crear dispositivos con propiedades personalizadas para aplicaciones que ni siquiera hemos imaginado aún".

Este trabajo fue apoyado en parte por una subvención de investigación de frontera del UK Research and Innovation (UKRI) y becas individuales postdoctorales (esquema de becas Marie Sklodowska-Curie).