نجح فريق كامبريدج في تشغيل الجسيمات النانوية العازلة بنجاح

اكتشف العلماء كيفية تزويد الجسيمات النانوية العازلة بالطاقة الكهربائية باستخدام هوائيات جزيئية، مما يؤدي إلى إنشاء مصابيح LED نقية بشكل استثنائي بالقرب من الأشعة تحت الحمراء مع إمكانات واسعة النطاق.

يستخدم النهج الذي تم تطويره حديثًا “الهوائيات الجزيئية” لتوجيه الطاقة الكهربائية إلى الجسيمات النانوية التي لا تستطيع عادةً توصيل الكهرباء. وقد أدى هذا التقدم إلى فئة جديدة تمامًا من مصابيح LED فائقة النقاء القريبة من الأشعة تحت الحمراء والمصممة للاستخدام في التشخيص الطبي وأنظمة الاتصالات البصرية وتقنيات الاستشعار.

الباحثون في مختبر كافنديش، جامعة كامبريدج اكتشفوا طريقة لتنشيط الجسيمات النانوية العازلة كهربائيًا، وهو أمر كان يعتبر غير قابل للتحقيق في ظل الظروف القياسية. من خلال ربط الجزيئات العضوية التي تعمل مثل الهوائيات المصغرة، نجح الفريق في إنتاج أول صمامات ثنائية باعثة للضوء (LEDs) تعتمد على هذه الجسيمات. تقدم النتائج، التي نُشرت في مجلة Nature، طريقًا لأجهزة الجيل التالي التي يمكن أن تدعم التصوير الطبي للأنسجة العميقة ونقل البيانات بسرعة عالية.

يركز البحث على الجسيمات النانوية المشبعة باللانثانيدات (LnNPs)، وهي مجموعة من المواد المعروفة بتوليد ضوء نقي ومستقر للغاية. ويكون انبعاثها قويًا بشكل خاص في النطاق الثاني القريب من الأشعة تحت الحمراء، والذي يمكن أن يتحرك عبر الأنسجة البيولوجية الكثيفة. وعلى الرغم من هذه المزايا، فإن افتقارها إلى التوصيل الكهربائي حال دون دمجها في المكونات الإلكترونية مثل مصابيح LED لفترة طويلة.

وقال البروفيسور أكشاي راو، الذي قاد البحث في مختبر كافنديش: “هذه الجسيمات النانوية هي بواعث ضوئية رائعة، لكننا لم نتمكن من تشغيلها بالكهرباء. لقد كان ذلك عائقًا رئيسيًا يمنع استخدامها في التكنولوجيا اليومية”. “لقد وجدنا أساسًا بابًا خلفيًا لتزويدها بالطاقة. تعمل الجزيئات العضوية مثل الهوائيات، حيث تلتقط حاملات الشحنة ثم “تهمسها” للجسيمات النانوية من خلال عملية نقل طاقة ثلاثية خاصة، وهي فعالة بشكل مدهش.

نهج هجين ذكي

وقد عالج الباحثون المشكلة من خلال تطوير مادة هجينة تجمع بين المكونات العضوية وغير العضوية. لقد أرفقوا صبغة عضوية تحتوي على مجموعة تثبيت وظيفية، تعرف باسم 9-أنثراسين كربوكسيليك حامض (9-ACA)، إلى السطح الخارجي للLnNPs. في مصابيح LED التي صنعوها، يتم توجيه الشحنات الكهربائية إلى جزيئات 9-ACA، التي تعمل كهوائيات جزيئية بدلاً من إرسال الشحنات مباشرة إلى الجسيمات النانوية.

بمجرد تنشيطها، تنتقل هذه الجزيئات إلى حالة ثلاثية مثارة. في العديد من الأنظمة البصرية تعتبر هذه الحالة الثلاثية “مظلمة” ولا يتم استخدامها عادةً. ومع ذلك، في هذا التصميم، يتم تمرير أكثر من 98 بالمائة من الطاقة من الحالة الثلاثية إلى أيونات اللانثانيدات داخل الجسيمات النانوية العازلة، مما ينتج عنه انبعاث ساطع وفعال.

تسمح هذه الطريقة الجديدة بتشغيل “LnLEDs” الخاصة بالفريق بجهد تشغيل منخفض يبلغ حوالي 5 فولت وإنتاج تألق كهربائي بعرض طيفي ضيق للغاية، مما يجعلها أكثر نقاءً بكثير من تلك الخاصة بالتقنيات المنافسة مثل النقاط الكمومية (QDs).

وقال الدكتور تشونغ تشنغ يو، المؤلف الرئيسي للدراسة وباحث ما بعد الدكتوراه في مختبر كافنديش: “إن نقاء الضوء في النافذة الثانية القريبة من الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من مصابيح LnLED الخاصة بنا يعد ميزة كبيرة”. “بالنسبة لتطبيقات مثل الاستشعار الطبي الحيوي أو الاتصالات البصرية، فأنت تريد طولًا موجيًا حادًا ومحددًا للغاية. وتحقق أجهزتنا ذلك دون عناء، وهو أمر يصعب جدًا القيام به باستخدام مواد أخرى.”

التطبيقات الطبية الحيوية والاتصالات والاستشعار

يفتح هذا الاكتشاف مجموعة واسعة من التطبيقات المحتملة. بفضل قدرتها على إصدار ضوء نقي بشكل استثنائي عند تشغيلها كهربائيًا، يمكن لهذه الجسيمات النانوية أن تتيح تطوير الجيل التالي من الأجهزة الطبية.

يمكن استخدام مصابيح LnLED الصغيرة القابلة للحقن أو القابلة للارتداء لتصوير الأنسجة العميقة للكشف عن أمراض مثل السرطان، أو مراقبة وظائف الأعضاء في الوقت الفعلي، أو تنشيط الأدوية الحساسة للضوء بدقة متناهية. إن النقاء والعرض الطيفي الضيق للضوء المنبعث يبشران أيضًا بأنظمة اتصالات بصرية أسرع وأكثر وضوحًا، مما قد يسمح بنقل المزيد من البيانات بتداخل أقل. يمكن أن تؤدي هذه التكنولوجيا أيضًا إلى أجهزة حساسة للغاية للكشف عن مواد كيميائية أو علامات بيولوجية محددة.

لقد أظهر الفريق بالفعل أعلى كفاءة كمية خارجية تزيد عن 0.6% لمصابيح NIR-II LED الخاصة بهم، وهي نتيجة واعدة للغاية لجهاز من الجيل الأول، كما حددوا استراتيجيات واضحة لمزيد من التحسين.

وأضاف الدكتور يونتشو دينغ، باحث مشارك في مرحلة ما بعد الدكتوراه في مختبر كافنديش: “هذه مجرد البداية. لقد فتحنا فئة جديدة تمامًا من المواد للإلكترونيات الضوئية”. “إن المبدأ الأساسي متعدد الاستخدامات لدرجة أنه يمكننا الآن استكشاف مجموعات لا حصر لها من الجزيئات العضوية والمواد النانوية العازلة. وهذا سيسمح لنا بإنشاء أجهزة ذات خصائص مخصصة لتطبيقات لم نفكر فيها بعد.”

المرجع: “ثلاثة توائم تعمل كهربائيًا على تشغيل جسيمات نانوية عازلة مخدرة باللانثانيدات” بقلم Zhongzheng Yu، Yunzhou Deng، Junzhi Ye، Lars van Turnhout، Tianjun Liu، Alasdair Tew، Rakesh Arul، Simon Dowland، Yuqi Sun، Xinjuan Li، Linjie Dai، Yang Lu، Caterina Ducati، Jeremy J. Baumberg، Richard H. Friend، Robert إل زي هوي وأكشاي راو، 19 نوفمبر 2025، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-025-09601-ذ

تم دعم هذا العمل جزئيًا من خلال منحة أبحاث الحدود في المملكة المتحدة (UKRI) (EP/Y015584/1) والزمالات الفردية لما بعد الدكتوراه (خطة منح زمالة ماري سكلودوفسكا كوري).

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل, يكتشف، و أخبار.