نوشته دانشگاه کمبریج۲۲ نوامبر ۲۰۲۵-تصویرسازی هنری از یک نانوذرات آلاییده شده با لانتانید -در این اثر هنری تخیلی، یک نانوذرات آلاییده شده با لانتانید به شکل عنکبوت درمی‌آید و تار تنیده شده توسط عنکبوت از ۹-آنتراسنکربوکسیلیک اسید ساخته شده است، یک آنتن آلی که برای به دام انداختن حامل‌های بار و برداشت کارآمد اکسایتون‌های سه‌تایی مولکولی «تاریک» گریزان طراحی شده است. منبع: ژونگ‌ژنگ یو
دانشمندان کشف کرده‌اند که چگونه می‌توان نانوذرات عایق را با استفاده از آنتن‌های مولکولی به صورت الکتریکی تغذیه کرد و LEDهای مادون قرمز نزدیک فوق‌العاده خالص با پتانسیل گسترده ایجاد کرد.
یک رویکرد تازه توسعه‌یافته از «آنتن‌های مولکولی» برای هدایت انرژی الکتریکی به نانوذراتی استفاده می‌کند که معمولاً نمی‌توانند الکتریسیته را هدایت کنند. این پیشرفت منجر به ایجاد دسته‌ای کاملاً جدید از LEDهای فوق خالص نزدیک به مادون قرمز شده است که برای استفاده در تشخیص پزشکی، سیستم‌های ارتباط نوری و فناوری‌های حسگر طراحی شده‌اند.
محققان آزمایشگاه کاوندیش، دانشگاه کمبریج، راهی برای فعال‌سازی الکتریکی نانوذرات عایق کشف کرده‌اند، چیزی که در شرایط استاندارد غیرقابل دستیابی تلقی می‌شد. این تیم با اتصال مولکول‌های آلی که مانند آنتن‌های مینیاتوری عمل می‌کنند، با موفقیت اولین دیودهای ساطع‌کننده نور (LED) را بر اساس این ذرات تولید کردند. این یافته‌ها که در مجله Nature گزارش شده است، مسیری را برای دستگاه‌های نسل بعدی معرفی می‌کند که می‌توانند از تصویربرداری پزشکی بافت عمیق و انتقال داده با سرعت بالا پشتیبانی کنند.
این تحقیقات بر روی نانوذرات آلاییده شده با لانتانید (LnNPs)، گروهی از مواد شناخته شده برای تولید نور بسیار خالص و پایدار، متمرکز است. انتشار آنها به ویژه در محدوده دوم نزدیک به مادون قرمز قوی است که می‌تواند از بافت بیولوژیکی متراکم عبور کند. با وجود این مزایا، عدم رسانایی الکتریکی آنها مدت‌هاست که مانع از ادغام آنها در قطعات الکترونیکی مانند LEDها شده است.
پروفسور آکشای رائو، که رهبری این تحقیق را در آزمایشگاه کاوندیش بر عهده داشت، گفت: «این نانوذرات ساطع‌کننده‌های نور فوق‌العاده‌ای هستند، اما ما نمی‌توانستیم آنها را با برق تغذیه کنیم. این یک مانع بزرگ برای استفاده از آنها در فناوری روزمره بود.» «ما اساساً یک در پشتی برای تأمین انرژی آنها پیدا کرده‌ایم. مولکول‌های آلی مانند آنتن عمل می‌کنند، حامل‌های بار را می‌گیرند و سپس آن را از طریق یک فرآیند انتقال انرژی سه‌گانه ویژه که به طرز شگفت‌آوری کارآمد است، به نانوذرات «نجوا» می‌کنند.
محققان با توسعه یک ماده ترکیبی که اجزای آلی و معدنی را ترکیب می‌کند، به این مشکل پرداختند. آنها یک رنگ آلی حاوی یک گروه لنگر عملکردی، معروف به 9-آنتراسنکربوکسیلیک اسید (9-ACA)، را به سطح بیرونی LnNPها متصل کردند. در LEDهایی که آنها ساختند، بارهای الکتریکی به مولکول‌های 9-ACA هدایت می‌شوند که به جای ارسال مستقیم بارها به نانوذرات، به عنوان آنتن‌های مولکولی عمل می‌کنند.
پس از دریافت انرژی، این مولکول‌ها به حالت سه‌گانه برانگیخته منتقل می‌شوند. در بسیاری از سیستم‌های نوری، این حالت سه‌گانه به عنوان «تاریک» در نظر گرفته می‌شود و معمولاً بدون استفاده می‌ماند. با این حال، در این طرح، بیش از 98 درصد از انرژی از حالت سه‌گانه به یون‌های لانتانید درون نانوذرات عایق منتقل می‌شود و انتشاری روشن و کارآمد ایجاد می‌کند.
این روش جدید اجازه می‌دهد «LnLED»های این تیم با ولتاژ کاری پایین حدود ۵ ولت روشن می‌شوند و الکترولومینسانس با پهنای طیفی فوق‌العاده باریکی تولید می‌کنند که آن را به طور قابل توجهی خالص‌تر از فناوری‌های رقیب مانند نقاط کوانتومی (QD) می‌کند.
دکتر ژونگ‌ژنگ یو، نویسنده اصلی این مطالعه و پژوهشگر فوق دکترا در آزمایشگاه کاوندیش، گفت: «خلوص نور در پنجره دوم نزدیک به مادون قرمز ساطع شده توسط LnLEDهای ما یک مزیت بزرگ است. برای کاربردهایی مانند حسگرهای زیست‌پزشکی یا ارتباطات نوری، به طول موج بسیار تیز و خاصی نیاز دارید. دستگاه‌های ما به راحتی به این هدف دست می‌یابند، کاری که انجام آن با مواد دیگر بسیار دشوار است.»
این کشف طیف وسیعی از کاربردهای بالقوه را آشکار می‌کند. این نانوذرات با توانایی خود در انتشار نور فوق‌العاده خالص هنگام تغذیه الکتریکی، می‌توانند توسعه دستگاه‌های پزشکی نسل بعدی را ممکن سازند.
LnLEDهای کوچک، تزریقی یا پوشیدنی می‌توانند برای تصویربرداری از بافت‌های عمیق برای تشخیص بیماری‌هایی مانند سرطان، نظارت بر عملکرد اندام‌ها در زمان واقعی یا فعال کردن داروهای حساس به نور با دقت بسیار بالا استفاده شوند. خلوص و پهنای طیفی باریک نور ساطع شده همچنین نویدبخش سیستم‌های ارتباطی نوری سریع‌تر و واضح‌تر است که به طور بالقوه امکان انتقال داده‌های بیشتر با تداخل کمتر را فراهم می‌کند. این فناوری همچنین می‌تواند به دستگاه‌های بسیار حساس برای تشخیص مواد شیمیایی خاص یا نشانگرهای بیولوژیکی منجر شود.
این تیم قبلاً حداکثر راندمان کوانتومی خارجی بیش از 0.6٪ را برای LEDهای NIR-II خود نشان داده است که نتیجه‌ای بسیار امیدوارکننده برای یک دستگاه نسل اول و استراتژی‌های روشنی را برای بهبود بیشتر شناسایی کرده است.
دکتر یونژو دنگ، پژوهشگر فوق دکترا در آزمایشگاه کاوندیش، افزود: «این تازه آغاز راه است. ما یک دسته کاملاً جدید از مواد را برای الکترونیک نوری کشف کرده‌ایم.» «اصل اساسی آنقدر متنوع است که اکنون می‌توانیم ترکیبات بی‌شماری از مولکول‌های آلی و نانومواد عایق را بررسی کنیم. این به ما امکان می‌دهد دستگاه‌هایی با خواص سفارشی برای کاربردهایی که هنوز حتی به آنها فکر هم نکرده‌ایم، بسازیم.»
