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Primer compuesto fosforescente
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Primer compuesto orgánico fosforescente

First purely organic phosphor

13 de febrero 2011

Científicos en los USA han hecho un avance en el desarrollo de nuevos materiales emisores de luz mediante el diseño del primer compuesto orgánico fosforescente. El hallazgo podría abrir el camino para una nueva generación de materiales para pantallas electrónicas y la iluminación, aprovechando el relativo bajo costo y versatilidad química de los sistemas con moléculas orgánicas.

Actualmente, la fosforescencia (la lenta liberación de energía en forma de luz de un compuesto) se limita básicamente a sistemas inorgánicos y organometálicos. El fenómeno se conoce como la emisión de fotones de luz  de electrones excitados en un estado llamado “triplet”. Esto significa que los electrones de un compuesto, son cambiados a un nivel de mayor energía, al regresar éstos a su estado normal se desajusta la órbita de giro y se re-emite la energía de excitación en forma de luz. Esto se ha logrado con un reducido grupo de “sistemas orgánicos - metal libre”, la estructura orgánica absorbe la energía, la cual luego es re-emitida, con poca o ninguna emisión de luz. Los iones metálicos proporcionan un entorno electrónico que es mucho más propicio para la formación del estado “triplet” y con una fosforescencia más eficiente.

Jinsang Kim y sus colegas de la Universidad de Michigan han desarrollado un fósforo orgánico libre de metales provenientes del carbonilo halogenado de  moléculas aromáticas. El grupo carbonilo proporciona electrones que pueden ser excitados para el estado “triplet”, mientras que el halógeno (siendo el Bromo el más eficiente) realiza dos funciones. En primer lugar, actúa de forma similar a un ión metálico, produciendo el efecto de átomo pesado que promueve el giro necesario para el desacoplamiento de los electrones excitados y en segundo lugar una fuerte interacción no covalente entre las moléculas que potencializan aún más el efecto del átomo pesado. Con estas propiedades combinadas, los cristales pueden brillar al ser excitado con la luz.

 

Fósforo orgánico excitado con luz Ultravioleta

© Marcin Szczepanski, Universidad  Michigan

"Haciendo pequeños cambios en la estructura de la molécula se puede ajustar el sistema para emitir diferentes colores de luz," dice Kim. "Mientras que la eficiencia no es tan alta como en los sistemas organometálicos, este es el primer sistema que ha logrado importante fosforescencia sin metales.

"Esto es muy emocionante", dice Paolo Coppo, del Centro de Fósforo y materiales de exhibición de la Universidad de Brunel en el Reino Unido. La fosforescencia Orgánica ha sido el santo grial de la OLED (diodo orgánico emisor de luz) de la comunidad de investigación en las dos últimas décadas. Parece que estamos un paso más hacia la realización de este sueño”

Simon Hadlington

 

References

O Bolton et al, Nature Chem., 2010, DOI: 10.1038/nchem.984

13 February 2011

Scientists in the US have made a major advance in the development of novel light-emitting materials by designing the first purely organic phosphorescent compound. The finding could open the way for a new generation of materials for electronic displays and lighting, exploiting the relatively low cost and chemical versatility of systems based on organic molecules. 

Currently, phosphorescence - the slow release of energy from a compound in the form of light - is essentially confined to inorganic or organometallic systems. The phenomenon relies on photons exciting electrons to a so-called triplet state. This means that the electrons, as well as being shunted to a higher energy level, must reverse or decouple their spins. While this can be achieved in a small selection of metal-free organic systems, the organic structure absorbs the energy as it is re-emitted, with little if any emerging as light. Metal ions provide an electronic environment that is much more conducive to the formation of the triplet state and hence more efficient phosphorescence. 

Now, Jinsang Kim and colleagues from the University of Michigan have developed a metal-free organic phosphor from halogenated aromatic carbonyl molecules. The carbonyl group provides electrons that can be excited to the required triplet state, while the halogen - most efficiently bromine - performs two roles. Firstly it acts in a similar way to a metal ion, producing a so-called heavy atom effect and promoting the necessary spin decoupling of the excited electrons and secondly produces close, strong non-covalent interactions between the molecules that further enhance the heavy atom effect. With these properties combined, crystals of the material glow when excited by light. 

 

 

The organic phosphors being excited by UV light

© Marcin Szczepanski, University of Michigan

'By making small changes to the structure of the molecule we can tune the system to emit different colours of light,' Kim says. 'While the efficiencies are not as high as organometallic systems, this is the first system that has achieved significant phosphorescence without metals.' 

'This is very exciting,' says Paolo Coppo, of the Centre for Phosphors and Display Materials at Brunel University in the UK. 'Organic phosphorescence has been the holy grail in the OLED [organic light emitting diode] research community for the last two decades. It appears we are one step closer to realising that dream' 

Simon Hadlington 

References

O Bolton et al, Nature Chem., 2010, DOI: 10.1038/nchem.984

 

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