Moléculas en éxtasis colectivo

Transmisión de señales a través de tintes: Amplificadores químicos de luz diez veces más eficaces que antes

15.07.2021 - Suiza

Cuando las moléculas de colorante fluorescente se anidan perfectamente entre sí, se crea algo completamente nuevo: un estado de excitación distribuido en muchas moléculas. Estas excitaciones colectivas pueden utilizarse de diversas maneras: para paneles solares orgánicos, en sensores, para la transmisión ultrarrápida de datos o en microscopía, por ejemplo. Los investigadores de la Empa, junto con sus colegas de la ETH de Zúrich, la EPFL, el Instituto Paul Scherrer (PSI) y el IBM Research de Zúrich, han conseguido hacer estos amplificadores químicos de luz diez veces más eficientes que antes.

"Lo que vemos aquí es una transferencia de energía mucho más rápida que en cualquier semiconductor", afirma entusiasmado Jakob Heier. El físico trabaja en el laboratorio de Polímeros Funcionales del Empa, y el descubrimiento que ha hecho con su equipo podría causar un revuelo en muchos ámbitos, como la tecnología de sensores, la transmisión óptica de datos o la fabricación de células solares orgánicas. Se trata de islas de moléculas de colorante con una estructura interna perfecta. Entre los expertos, estas estructuras se denominan agregados J. Aunque se conocen desde hace más de 80 años, en los últimos tiempos han vuelto a atraer la atención de la investigación. Esto se debe a la especial vida electrónica interna de estas islas de colorante.

Para entender lo que Heier y sus colegas han descubierto, es útil una breve excursión al mundo de los tintes: Para que un tinte brille, primero hay que activar la molécula, también con luz. Los blanqueadores ópticos de los detergentes, por ejemplo, absorben la luz ultravioleta y emiten luz azulada (visible); por eso las prendas blancas brillan tanto bajo la luz ultravioleta de una discoteca. La luz emitida es de menor energía que la utilizada para activar el tinte, porque parte de la energía se convierte en vibraciones, es decir, en calor, en la molécula del tinte.

Las moléculas como antenas de energía

Los agregados J estudiados por Heier y el estudiante de doctorado del Empa Surendra Anantharaman se comportan de forma diferente a las moléculas de colorante individuales. En estas islas moleculares, las moléculas de colorante están bien ordenadas y muy juntas, como las cerillas en una caja. En esta constelación, la molécula de colorante no "tiene" que brillar, sino que "puede" pasar su energía a una molécula vecina.

En comparación con los semiconductores clásicos de silicio, hay una diferencia crucial: en un semiconductor de silicio, como una célula solar, la energía de excitación se transporta a través de portadores de carga, por ejemplo electrones, que "saltan" a través del material, por así decirlo. En los agregados J, en cambio, los electrones sólo oscilan de un lado a otro de la molécula de colorante y nunca salen de ella. En lugar de electrones, sólo se transmiten oscilaciones, de forma similar a las antenas de transmisión y recepción en el mundo macroscópico. De hecho, los agregados J pueden "transmitir" energía a la escala más pequeña, de forma extremadamente rápida y a través de cientos de moléculas.

Altas pérdidas durante 80 años

El fenómeno de los agregados J y su especial transmisión de energía fue descubierto ya en 1936 por Edwin E. Jelley en Estados Unidos y Günter Scheibe en Alemania. Pero hasta ahora, cerca del 95% de la energía radiada se perdía y no podía transmitirse. La culpa la tenían los "errores de construcción" del sistema. En realidad, las moléculas no estaban tan perfectamente alineadas. Y cada vez que el pulso de energía encontraba uno de estos defectos durante su viaje a través del agregado J, el transporte de energía se interrumpía. Una vibración molecular ordinaria ponía fin a la transferencia, se generaba un poco de calor y se acababa el juego.

El bosque de antenas perfecto

El equipo de Empa, con el apoyo de investigadores de la ETH de Zúrich, la EPF de Lausana, el PSI y el IBM Research de Zúrich, ha conseguido ahora desarrollar un sistema de tintes en el que se reemite hasta el 60 por ciento de la luz entrante. Esto significa también que hasta el 60 por ciento de la energía puede transmitirse sin pérdidas, lo que supone una sensación en comparación con el cinco por ciento anterior. La clave del éxito fueron unas islas de colorante perfectamente construidas que se crearon en una fina emulsión de agua y hexilamina. Una emulsión es una mezcla de gotas de líquido en otro líquido - la leche o la mayonesa son emulsiones que todo el mundo conoce.

Los investigadores de Empa observaron que no cualquier emulsión serviría: Tenía que ser una de las llamadas emulsiones bicontinuas, lo que significa que las gotas suspendidas en el líquido exterior no deben estar alejadas unas de otras, sino que deben haberse combinado para formar estructuras en forma de rayas. Sólo entonces el colorante investigado forma los deseados agregados J sin defectos y puede "enviar" la energía absorbida a largas distancias sin pérdidas. Así, las moléculas de colorante se alinean en una emulsión bicontinua, similar a las cerillas en una caja. Sólo entonces la transmisión de la señal tiene éxito.

Los fallos forman parte del juego

El estudio que ahora se publica también menciona -en buena tradición científica- los intentos fallidos y la historia del experimento exitoso. Al fin y al cabo, los químicos y físicos de todo el mundo deberían poder aprovechar la experiencia del equipo de Empa. Por ejemplo, no fue posible cristalizar el colorante en forma de películas finas sobre una superficie sólida. Demasiados defectos en los cristales arruinaban la transferencia. Las soluciones acuosas, en las que el colorante se agrega en pequeñas gotas, tampoco funcionan. Sólo las emulsiones bicontinuas permiten la transmisión de la señal, y sólo si quedan moléculas individuales de colorante en fase líquida que puedan rellenar agujeros y cerrar huecos en los agregados J, es decir, "reparar" los defectos.

¿Qué aplicaciones son concebibles?

Sin duda, a los investigadores les queda un largo camino por recorrer antes de que lo que han conseguido ahora en una emulsión pueda ser técnicamente útil. Pero la transmisión de señales a través de tintes podría penetrar en muchos ámbitos de la vida cotidiana. Por ejemplo, es posible captar luz infrarroja débil con la ayuda de estos tintes y convertirla en señales digitales con la ayuda de puntos cuánticos, una ventaja para la tecnología de sensores y células solares, que se supone que proporcionan electricidad incluso con luz muy débil. Debido a sus propiedades únicas, los agregados J también se prestan a aplicaciones en ordenadores cuánticos y transmisión óptica de datos.

Por último, los agregados de colorantes conductores de señales podrían ser útiles para el diagnóstico en tejidos vivos: La luz infrarroja, o la radiación térmica, penetra profundamente en el tejido humano sin dañar las células. Los agregados J podrían hacer visible esta radiación y digitalizarla. Esto podría facilitar y mejorar en gran medida la obtención de imágenes de alta resolución de los tejidos vivos con el microscopio.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

Publicación original

SB Anantharaman, J Kohlbrecher, G Rainò, S Yakunin, T Stöferle, J Patel, M Kovalenko, RF Mahrt, FA Nüesch, J Heier; "Enhanced Room-Temperature Photoluminescence Quantum Yield in Morphology Controlled J-Aggregates"; Advanced Science; 2021

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