Naukowcy pracują nad innowacyjnymi substancjami organicznymi emitującymi białe światło. Mogą być o wiele tańszym źródłem światła

Polscy fizycy opracowują materiały luminescencyjne nowej generacji, które emitują białe światło o widmie ciągłym obejmującym praktycznie cały zakres widzialny. Taką właściwość mają tzw. białe fluorofory, które mogą się okazać przełomowym rozwiązaniem w dziedzinie organicznych diod luminescencyjnych (OLED). W odróżnieniu od dotychczasowych OLED-ów, w których białe światło wytwarza się poprzez złożenie emisji dwóch lub trzech różnych substancji (np. czerwonej, zielonej i niebieskiej), białe fluorofory są substancjami, w których biała emisja występuje na poziomie pojedynczej cząsteczki. Takie materiały emisyjne pozwolą znacznie uprościć konstrukcję oraz poprawić parametry i trwałość eksploatacyjną białych OLED-ów, a w efekcie także obniżyć koszty ich produkcji. 

– Białe fluorofory organiczne to substancje organiczne, które emitują białe światło. Ich podstawowa cecha, czyli emisja białego światła, jest czymś wyjątkowym w świecie substancji organicznych, dlatego że fluorescencja związków organicznych zazwyczaj charakteryzuje się określoną barwą – mówi w rozmowie z agencją informacyjną Newseria Innowacje dr hab. Jerzy Karpiuk z Instytutu Fizyki PAN.

Współczesna technika nie dysponuje materiałami, które mogłyby emitować światło białe w sposób nietermiczny, tj. bez rozgrzewania ich do bardzo wysokiej temperatury, rzędu kilku tysięcy stopni Celsjusza. Emisja nietermiczna, czyli wzbudzana światłem lub prądem elektrycznym luminescencja znanych związków nieorganicznych lub organicznych, pozwala uzyskiwać jedynie światło o określonej barwie, ponieważ jest wynikiem przejścia elektronowego między najniższym stanem wzbudzonym, a stanem podstawowym cząsteczki. Dzięki odpowiednio dobranej strukturze, cząsteczki białych fluoroforów mogą emitować fluorescencję nie z jednego, ale z dwóch stanów wzbudzonych o najniższej energii, co pozwala uzyskiwać szerszą spektralnie i obejmującą więcej barw emisję z jednego materiału.

Białe fluorofory umożliwią opracowanie materiałów luminescencyjnych nowej generacji.

– Uzyskanie tak szeroko emitujących materiałów, w których podstawowa jednostka jest pojedynczą cząsteczką, będzie niewątpliwie stanowiło przełom w dziedzinie materiałów luminescencyjnych. Szukamy takich cząsteczek, które będą w stanie emitować zarówno światło fioletowe, jak i zielone, niebieskie i czerwone, dając w efekcie praktycznie całe pokrycie obszaru widzialnego – mówi dr hab. Jerzy Karpiuk.

Współczesne diody OLED wykorzystują do generowania różnych barw matryce składające się z zestawów trzech subpikseli – emitujących światło zielone, czerwone i niebieskie. Światło białe wytwarza się poprzez zmieszanie emisji wszystkich subpikseli, co nie jest efektywne energetycznie. Opracowanie materiałów organicznych umożliwiających bezpośrednią emisję białego światła, pozwoli stworzyć OLED-y zużywające mniej energii i zapewniające wyższy wskaźnik oddawania barw.

– Poszukiwania organicznych substancji emitujących światło białe są prowadzone w wielu laboratoriach na świecie, z efektem jak do tej pory dość skromnym, dlatego że trudno jest opracować takie cząsteczki, których fluorescencja pokrywałaby się w dużej części z widmem światła słonecznego. Znalezienie takich właśnie układów z całą pewnością może stanowić rodzaj rewolucji w dziedzinie materiałów świecących, dlatego że te materiały będą wówczas pojedynczymi jednostkami zdolnymi do emisji światła białego – przekonuje dr hab. Jerzy Karpiuk.

W ramach Programu Badań Stosowanych NCiBR, polscy naukowcy z Instytutu Fizyki PAN poszukują związków organicznych, w których zachodzą procesy prowadzące do powstawania dwóch emitujących stanów wzbudzonych, a w efekcie do szerokiej spektralnie fluorescencji. Celem badań jest poznanie zależności między strukturą wybranych, nowo zsyntezowanych grup związków organicznych a ich właściwościami luminescencyjnymi, i na tej podstawie –optymalizacja struktury białych fluoroforów z punktu widzenia wydajności ich luminescencji.

– Materiałem, w którym pierwotnie odkryliśmy ten efekt, była cząsteczka mająca zupełnie inne zastosowania, produkowana w tysiącach ton na świecie, o nazwie lakton fioletu krystalicznego. Niestety, ta emisja nie jest zbyt wydajna, dlatego zdecydowaliśmy się podjąć badania, w ramach których poszukujemy struktur powiększających tę wydajność. Poszukujemy także takich struktur, w których zachodziłyby nieco inne reakcje w stanie wzbudzonym, które prowadzą do emisji białej fluorescencji – tłumaczy ekspert.

Analitycy z firmy badawczej MarketsandMarkets oszacowali, że wartość globalnego rynku OLED w 2023 roku wzrośnie do blisko 49 mld dol. przy średniorocznym tempie wzrostu na poziomie 15,2 proc.