Двойная жизнь молекулы: днём — дисплей в смартфоне, ночью — помощник хирурга

Учёные из Университета Кюсю представили органическую молекулу , объединяющую в себе два ранее несовместимых качества — выдающуюся эффективность излучения света и способность к глубокопроникающему поглощению без повреждения живых тканей. Такая комбинация открывает перспективы для технологий, которые одновременно могут работать в потребительской электронике и медицине — от ярких и экономичных OLED-дисплеев до высокоточной неинвазивной диагностики.

OLED-экраны, которые используются сегодня в смартфонах, телевизорах и носимой электронике, всё чаще совершенствуют с помощью механизма термически активированной задержанной флуоресценции (TADF). Он позволяет превращать энергию триплетных состояний, обычно теряемую впустую, в свечение синглетных состояний, используя тепло окружающей среды. Это даёт более яркое изображение при меньшем энергопотреблении.

В медицинской визуализации для работы с глубокими слоями тканей применяют другой подход — двухфотонное поглощение (2PA). Оно позволяет молекуле поглощать два фотона меньшей энергии одновременно, что уменьшает рассеяние света и минимизирует тепловое повреждение клеток. Возбуждение происходит строго в фокусе лазера, что обеспечивает высокую чёткость и безопасность снимков.

Проблема в том, что сильный TADF и высокая 2PA требуют противоположных свойств молекулярной архитектуры. Для TADF нужна скрученная структура с разнесёнными орбиталями электрона, а для 2PA — плоская с максимальным их перекрытием. Эти требования долго мешали создать универсальный материал.

Команда под руководством Юхэя Читосэ разработала CzTRZCN — молекулу, которая совмещает электронно-избыточный карбазольный фрагмент и электронно-дефицитное триазиновое ядро, дополненные циано-группами для тонкой настройки орбитального распределения. Такая конфигурация работает как «переключатель»: при поглощении света молекула сохраняет перекрытие орбиталей, обеспечивая эффективное двухфотонное поглощение, а после возбуждения меняет структуру, разделяя орбитали для TADF-свечения.

Теоретические расчёты и эксперименты подтвердили, что CzTRZCN успешно совмещает обе функции. В составе OLED-устройства она достигла внешней квантовой эффективности 13,5% — рекордного значения для TADF-материалов на основе триазина. Одновременно была зафиксирована высокая 2PA-секция и интенсивное свечение, что делает молекулу перспективной для биомедицинской визуализации.

Ещё одним преимуществом CzTRZCN стала её органическая, безметалловая природа и низкая токсичность, что делает материал биосовместимым и подходящим для применения в медицинских зондами и датчиках. Особенно полезным он может оказаться в методах временно-разрешённой флуоресцентной микроскопии .

Авторы исследования считают, что предложенная стратегия — создание молекул с различным орбитальным устройством для фаз поглощения и излучения — может стать основой для разработки целого класса многофункциональных материалов , не ограниченных сферой медицины или дисплеев. В планах команды — расширить диапазон излучаемых длин волн и наладить сотрудничество с инженерами в области биомедицины и электроники. Среди возможных направлений — сенсоры , работающие на теле, усовершенствованные OLED-панели и системы диагностики in vivo .