Учёные разработали органическую молекулу с двойной функцией для дисплеев и биовизуализации

На изображении показана структура новой органической молекулы, а также диаграммы уровней энергии двухфотонного поглощения (слева) и термоактивированной замедленной флуоресценции (справа). Автор: Юхэй Читозе / Университет Кюсю

Исследователи из Университета Кюсю разработали уникальную органическую молекулу, которая одновременно обладает двумя важными свойствами: эффективным излучением света для современных дисплеев и сильным поглощением света для глубокой биовизуализации тканей. Это открытие решает давнюю проблему молекулярного дизайна и открывает путь к созданию многофункциональных материалов нового поколения.

Исследование, опубликованное 29 июля 2025 года в журнале Advanced Materials, проводилось в сотрудничестве с Национальным Тайбэйским технологическим университетом и Национальным Центральным университетом.

Органические светодиоды (OLED) находятся на переднем крае современных технологий отображения и освещения, их используют в смартфонах, телевизорах и мониторах. Одним из ключевых явлений, активно изучаемых для повышения эффективности OLED, является термоактивированная замедленная флуоресценция (TADF).

Этот процесс происходит, когда энергия, поглощённая в не излучающем свет состоянии (триплетное состояние), переходит в излучающее состояние (синглетное состояние) за счёт тепла окружающей среды. Проще говоря, материалы с TADF могут эффективно преобразовывать энергию, которая обычно теряется, в свет, что делает устройства ярче и энергоэффективнее.

Кроме дисплеев, важной задачей является получение чётких изображений биологических тканей с минимальным вредом для медицинской диагностики и исследований. Здесь полезны методы, основанные на двухфотонном поглощении (2PA). В 2PA молекула поглощает одновременно два фотона с меньшей энергией от высокоинтенсивного лазера, достигая возбуждённого состояния, способного излучать флуоресценцию.

Свет с меньшей энергией и большей длиной волны, например, ближний инфракрасный, идеален для биомедицинской визуализации, так как глубже проникает в ткани без рассеивания. Кроме того, 2PA означает, что возбуждается только небольшая область ткани в фокусе лазера, что снижает повреждение живых клеток.

Оптическая система для измерения фотостабильности в плёночном состоянии. Автор: Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202509857

«Осознав, что эти две функции имеют взаимодополняющие преимущества, но противоречивые молекулярные требования, я решил разработать материал, который мог бы объединить их, чтобы создать новые многофункциональные материалы, связывающие электронику и науки о жизни», — говорит доктор Юхэй Читозе, доцент Высшей школы инженерии Университета Кюсю и ведущий автор исследования.

Команда разработала молекулу CzTRZCN, которая действует как молекулярный переключатель, меняя структуру и свойства в зависимости от того, поглощает или излучает свет. Учёные объединили богатый электронами карбазол (Cz) с электронодефицитным ядром триазина (TRZ), добавив циано-группы (CN) для точной настройки электронных орбиталей.

В результате молекула эффективно поглощает два фотона одновременно, а после возбуждения меняет структуру, что позволяет реализовать TADF. В OLED-устройствах CzTRZCN показала внешнюю квантовую эффективность 13,5%, что является рекордом для триазин-содержащих TADF-материалов. Кроме того, она продемонстрировала высокую эффективность 2PA и яркость, что делает её перспективной для медицинской визуализации.

«Предложенная молекула — это металлоорганическое соединение с низкой токсичностью и высокой биосовместимостью, что делает её идеальной для медицинских зондов, особенно в диагностике рака и неврологических заболеваний с помощью микроскопии с временным разрешением», — отмечает Читозе.

Это исследование открывает путь к созданию универсальных органических материалов, объединяющих фотоэлектронику и биовизуализацию. В будущем учёные планируют расширить диапазон излучения и внедрить эти материалы в носимые датчики, OLED и методы визуализации in vivo.

Дополнительная информация: Youhei Chitose et al, Unlocking Dual Functionality in Triazine‐Based Emitters: Synergistic Enhancement of Two‐Photon Absorption and TADF‐OLED Performance with Electron‐Withdrawing Substituents, Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202509857

Источник: Университет Кюсю