Поделиться
Химики ТПУ объяснили аномалию «светящихся» молекул-олигомеров для создания гибких дисплеев
Ученые Томского политехнического университета в составе научной группы провели комплексные исследования фотофизических процессов цинк-порфириновых олигомеров, их также называют «светящимися» молекулами. Результаты расчетных экспериментов показали, что уровень флуоресценции молекул можно изменять в зависимости от размера и структуры. Это может лечь в основу создания гибких OLED-дисплеев и элементов органических солнечных батарей. Об этом CNews сообщили представители ТПУ.
Исследование поддержано программой Минобрнауки России «Молодежные лаборатории» (№ 075-03-2024-118/1). Результаты работ опубликованы в журнале Chemical Physics Letters (Q1, IF: 2.8).
Мезо-мезо-этин-мостиковые цинк(II)-порфириновые олигомеры или цинк-порфириновые олигомеры — это соединения на стыке координационной химии и материаловедения. Благодаря своей возможности поглощать свет и излучать его в виде флуоресценции их также называют «светящимися» молекулами. Сегодня их применяют в качестве биомедицинской визуализации при диагностике различных заболеваний, фотодинамической терапии, органической электронике и других приложениях.
«Всем известно, что цинк-порфириновые олигомеры могут эффективно излучать свет, причем они это делают не так, как предсказывают стандартные теории: олигомеры излучают в ближнем ИК-диапазоне и имеют при этом большой квантовый выход флуоресценции. В то время как другие молекулы обычно в ближнем ИК-диапазоне теряют энергию по безызлучательным каналам, что препятствует эффективной флуоресценции. Никто из ученых не может точно объяснить, почему так происходит. Наше исследование впервые раскрыло механику флуоресценции “светящихся” молекул. Мы не просто подтвердили аномалию, а выяснили, какие именно фотофизические процессы внутри молекулы влияют на ее флуоресценцию», — отметила автор исследования, заведующая лабораторией «Химическая инженерия и молекулярный дизайн» ТПУ Елена Степанова.
Для исследования флуоресценции молекул ученые ТПУ построили точные модельные системы, соответствующие цифровым аналогам синтезированных мезо-мезо-этин-мостиковых цинк(II)-порфириновых олигомеров. С помощью вычислительных методов квантовой химии политехники моделировали условия, при которых молекулы поглощают свет и переизлучают его. Также ученые вычисляли скорость излучательных и безызлучательных процессов и исследовали, какие фотофизические процессы «крадут» энергию, мешая свечению молекулы.
Результаты численных экспериментов показали, что яркость молекулы (флуоресценция) олигомера зависит от количества «звеньев» единиц цепочки в ней. Так, в короткой цепочке в структуре молекулы (например, с двумя звеньями) энергия может быстро переходить в другое состояние, из которого свет почти не исходит. От таких молекул свет исходит только на 1% от возможного. Цепочки средней длины (три или четыре звена) излучают свет на 41% от возможного. Это происходит за счет того, что процесс превращения энергии в тепло в них менее заметный. Слишком длинные цепочки (пять звеньев) начинают терять энергию в виде тепла и яркость света от них уменьшается.
«В своих исследованиях мы пробовали разные способы эффективно улучшать способность молекулы отдавать поглощенный свет или светиться. Эту величину также называют квантовым выходом флуоресценции. Так, мы немного изменяли структуру олигомеров, вставляя в него другие частицы-заместители. Результаты исследования показали, что в зависимости от типа заместителя флуоресценцию можно увеличить на 30-60 %. Найденные нами зависимости позволяют модулировать квантовый выход флуоресценции “светящихся” молекул для конкретных задач. Например, для биомедицины — ИК-свечение глубже проникает через ткани, что важно для диагностики и терапии. Кроме того, эти молекулы перспективны для органической электроники — например, для создания гибких OLED-дисплеев или оптических сенсоров, а также элементов органических солнечных батарей», — сказала Елена Степанова.
В исследовании приняли участие ученые Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ и Томского госуниверситета.
Короткая ссылка
