Молекулярный дизайн: новые правила для супер-яркого свечения

В мире физики царит закон, известный как закон энергетической щели. Он диктует, что чем меньше разница энергий между возбужденным и основным состояниями молекулы (энергетическая щель), тем быстрее происходит ее нерадиационная релаксация — попросту говоря, молекула быстрее теряет энергию, не излучая света. Этот закон является настоящей головной болью для ученых, разрабатывающих новые светящиеся материалы, ведь он ограничивает эффективность органических светодиодов, флуоресцентных маркеров и фотоэлектрических устройств.

Но недавно группа исследователей из Кембриджского университета сделала революционное открытие: им удалось «обмануть» закон энергетической щели, создав органические молекулы, которые излучают свет в ближнем инфракрасном диапазоне с поразительной эффективностью.

Секрет кроется в особой структуре этих молекул. Они состоят из двух частей: донора и акцептора электронов, разделенных пространственно. При возбуждении электрон переходит от донора к акцептору, формируя экситон с разделенными зарядами.

Ученые провели серию экспериментов с использованием сверхбыстрой импульсной вибрационной спектроскопии, которая позволила им заглянуть вглубь молекул и увидеть, как колебания атомов влияют на поведение экситонов.

Оказалось, что в обычных органических молекулах экситоны сильно связаны с высокочастотными колебаниями, которые и ответственны за быструю нерадиационную релаксацию.

Но в молекулах с разделенными зарядами, созданных кембриджскими учеными, эта связь оказалась крайне слабой! Высокочастотные колебания затрагивают либо донорную, либо акцепторную часть, не влияя на экситон в целом.

Это открытие, словно волшебный ключ, отпирает двери в мир новых возможностей. Высокоэффективные NIR-излучатели, созданные на основе этого принципа, могут найти применение в самых разных областях, от медицины до энергетики.

Представьте себе флуоресцентные маркеры, способные проникать глубоко в ткани организма и подсвечивать мельчайшие детали. Или органические солнечные батареи, способные поглощать больше солнечной энергии и преобразовывать ее в электричество с большей эффективностью.

Это лишь малая часть того, что может стать реальностью благодаря открытию кембриджских ученых. Но главное — это понимание того, что законы природы, кажущиеся незыблемыми, иногда можно обойти, используя хитрость и смекалку.