Свет с круговой поляризацией обладает свойствами, которые делают его полезным в самых разных технологиях — от 3D-дисплеев нового поколения до инструментов биовизуализации, способных обнаруживать сигналы глубоко в живых тканях. Один из способов получения такого света — использование хиральных молекул, то есть соединений, которые имеют зеркальное отражение, на которое они не накладываются в точности. Среди них есть малые органические молекулы (МОМ), которые позволяют регулировать длину волны излучения.

Люминесцентные радикалы представляют собой перспективный тип супрамолекулярных соединений для получения излучения с круговой поляризацией в красной и ближней инфракрасной областях спектра (КПЛ). Одно из семейств радикалов — радикалы на основе трис(2,4,6-трихлорфенил)метила (ТТМ) — по своей природе хиральны и являются естественным кандидатом для получения КПЛ.

Однако на практике эти молекулы не оправдывают ожиданий по целому ряду причин, связанных с компромиссами между стабильной хиральностью, высокой эффективностью излучения и долговечностью в условиях эксплуатации.

В связи с этим исследователи из Университета Кюсю в Японии разработали новый тип органического материала, излучающего в диапазоне от глубокого красного до ближнего инфракрасного спектра.

В исследовании, опубликованном в Angewandte Chemie International Edition, описывается ряд молекул, классифицируемых как хиральные люминесцентные радикалы, которые сочетают в себе высокую эффективность излучения, долговечность и стабильность.

В рамках настоящего исследования группа ученых под руководством доцента Кена Альбрехта из Института химии и инженерии материалов Университета Кюсю и с участием докторанта Кадзухиро Накамуры из Междисциплинарной высшей школы инженерных наук Университета Кюсю синтезировала новую серию радикалов TTM для решения этих проблем.

Начав с бромсодержащего производного TTM под названием TTBrM, ученые добавили азотсодержащее органическое соединение, известное как карбазол (Cz). В результате этого подхода были получены три радикала TTM с карбазольными заместителями: CzTTBrM, 2CzTTBrM и 3CzTTBrM.

Добавление фрагментов Cz коренным образом изменило механизм излучения света этими молекулами. Вместо простого локализованного электронного перехода излучение стало происходить за счет процесса переноса заряда между донором Cz и акцептором TTBrM, что привело к смещению излучения в красный и ближний инфракрасный диапазон с длиной волны 650–800 нанометров (нм).

Измерения квантового выхода фотолюминесценции — показателя, характеризующего эффективность преобразования поглощенной энергии в свет, — показали, что в наиболее эффективном соединении этот показатель примерно в 30 раз выше, чем у обычных хиральных люминесцентных радикалов.

Кроме того, фотостабильность улучшилась примерно в 100 раз: новые радикалы сохранялись в течение 1300 секунд при непрерывном лазерном облучении по сравнению с 19 секундами для TTBrM. Хиральность всех трех соединений также оставалась стабильной, демонстрируя высокий барьер для рацемизации (превращения оптически активного соединения в оптически неактивную форму).

Проще говоря, радикалы не переходили быстро из одной зеркально-симметричной формы в другую при комнатной температуре. Благодаря этому удалось успешно выделить энантиочистые (однозеркальные) формы, которые демонстрировали удивительно яркую комбинационную флуоресценцию.

Чтобы подробнее изучить оптические свойства этих соединений, исследователи поместили радикалы в микроскопические полистироловые сферы. При освещении лазером эти микросферы демонстрировали резонанс мод шепчущей галереи — оптический эффект, при котором свет циркулирует внутри сферической полости, усиливаясь на определенных длинах волн.

«Об этом явлении, представляющем собой предлазерную стадию, ранее не сообщалось в системах с люминесцентными радикалами», — говорит Альбрехт.

Помимо применения в дисплеях, биовизуализации и лазерах, команда исследователей также отметила более широкий потенциал люминесцентных радикалов как функциональных материалов для новых квантовых технологий.

«Эти соединения потенциально могут быть использованы в качестве квантовых материалов, управляемых магнитным полем и микроволновым излучением, которые, как ожидается, будут полезны для квантовой информатики следующего поколения», — добавляет Накамура.

В целом это исследование демонстрирует эффективную стратегию разработки, позволяющую объединить благоприятную электронную структуру, хиральность и светоизлучение в одной молекулярной системе. Преодолевая давние компромиссы, эти люминесцентные радикалы могут способствовать развитию оптических и квантовых технологий нового поколения.