Desarrollan un LED "imposible" que podría revolucionar la tecnología médica

Un equipo de científicos de la Universidad de Cambridge logró un avance sorprendente en la tecnología de iluminación al desarrollar un LED que antes se consideraba "imposible". Este dispositivo utiliza nanopartículas aislantes, que normalmente no conducen electricidad, para generar luz infrarroja de alta pureza. La investigación fue publicada en la revista Nature.

El secreto detrás de este LED radica en el uso de diminutas "antenas moleculares" que permiten canalizar energía eléctrica hacia las nanopartículas. Al implementar este método, los investigadores del Laboratorio Cavendish produjeron los primeros LEDs fabricados con estos materiales previamente considerados incapaces de ser alimentados eléctricamente.

Las nanopartículas dopadas con lantánidos (LnNPs) son materiales reconocidos por su capacidad para emitir luz altamente pura y estable. Esto es especialmente valioso ya que emiten luz en la segunda región del infrarrojo cercano, lo que les permite penetrar profundamente en los tejidos biológicos, siendo ideales para tecnologías de imágenes médicas y sensores.

A pesar de sus ventajas ópticas, estas nanopartículas presentan un inconveniente significativo: son aislantes eléctricos y no pueden transportar corriente eléctrica con facilidad, lo que ha limitado su uso en dispositivos electrónicos como los LEDs. Sin embargo, los investigadores encontraron una solución a este obstáculo, que anteriormente se consideraba insalvable. Al unir moléculas orgánicas seleccionadas a las nanopartículas, el equipo creó un sistema que permite transferir energía eléctrica a estos materiales aislantes.

El líder del estudio, Profesor Akshay Rao, explicó: "Estas nanopartículas son fantásticos emisores de luz, pero no podíamos alimentarlas con electricidad. Era una barrera importante que impedía su uso en la 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 resulta sorprendentemente eficiente".

Para que la tecnología funcione, los científicos construyeron un material híbrido que combina moléculas orgánicas con nanopartículas inorgánicas, uniendo un colorante orgánico llamado 9-antracenocarboxílico (9-ACA) a la superficie de las LnNPs. Dentro de los LEDs recién diseñados, las cargas eléctricas se dirigen hacia las moléculas de 9-ACA en lugar de hacia las propias nanopartículas. Estas moléculas actúan como antenas moleculares que absorben la energía entrante y entran en un "estado triplete" excitado.

En muchos sistemas ópticos, los estados tripletes se consideran "oscuros" porque su energía a menudo se pierde. Sin embargo, en este nuevo diseño, la energía triplete se transfiere a los iones de lantánido dentro de las nanopartículas con más del 98% de eficiencia, lo que provoca que las nanopartículas aislantes emitan luz brillante y de alta pureza.

Los dispositivos resultantes, llamados "LnLEDs", operan a un voltaje relativamente bajo de aproximadamente 5 voltios y producen electroluminiscencia con un espectro extremadamente estrecho, lo que les otorga una salida de luz mucho más pura que tecnologías competidoras como los puntos cuánticos (QDs).

El autor principal del estudio, Dr. Zhongzheng Yu, comentó: "La pureza de la luz en la ventana del infrarrojo cercano emitida por nuestros LnLEDs es una gran ventaja. Para aplicaciones como el sensor biomédico o las comunicaciones ópticas, se desea una longitud de onda muy precisa y específica. Nuestros dispositivos logran esto sin esfuerzo, algo que es muy difícil de conseguir con otros materiales".

La tecnología tiene el potencial de abrir un amplio rango de aplicaciones futuras. Dado que los LEDs emiten luz infrarroja extremadamente pura, podrían facilitar nuevos dispositivos médicos capaces de ver profundamente dentro del cuerpo. LnLEDs pequeños e inyectables o portátiles podrían ayudar a los médicos a detectar cánceres, monitorear órganos en tiempo real o activar medicamentos sensibles a la luz con una precisión excepcional.

Además, la emisión de luz estrecha y estable podría mejorar los sistemas de comunicación óptica al reducir interferencias y permitir que mayores cantidades de datos viajen de manera más clara y eficiente. Esta tecnología también podría respaldar detectores altamente sensibles capaces de identificar químicos específicos o marcadores biológicos.

El equipo de investigación ya logró una eficiencia cuántica externa máxima de más del 0.6% para sus LEDs NIR-II, un resultado impresionante para un dispositivo de primera generación. Los científicos también afirmaron que hay caminos claros para mejorar aún más el rendimiento.

El Dr. Yunzhou Deng, otro autor del estudio, destacó: "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 aún no hemos imaginado".

La investigación contó con el apoyo de una subvención de investigación de frontera del UK Research and Innovation (UKRI) y becas individuales de posdoctorado del esquema de becas Marie Sklodowska-Curie.

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