Los investigadores descubren ‘nuevas reglas de diseño molecular’

Desde el descubrimiento de la mecánica cuántica hace más de cien años, se sabe que los electrones de las moléculas pueden acoplarse al movimiento de los átomos que forman las moléculas. A menudo denominado vibraciones moleculares, el movimiento de los átomos actúa como pequeños resortes que experimentan un movimiento periódico.

Para los electrones en estos sistemas, estar unidos a la cadera con estas vibraciones significa que también están en constante movimiento, bailando al ritmo de los átomos, en escalas de tiempo de una millonésima de billonésima de segundo. Pero todo este baile conduce a una pérdida de energía y limita el rendimiento de las moléculas orgánicas en aplicaciones como diodos emisores de luz (OLED), sensores infrarrojos y biomarcadores fluorescentes utilizados en el estudio de células y para etiquetar enfermedades como las células cancerosas.

Ahora, investigadores que utilizan técnicas espectroscópicas basadas en láser han descubierto “nuevas reglas de diseño molecular” capaces de detener esta danza molecular. Sus resultados, reportados en Naturalezareveló principios de diseño cruciales que pueden detener el acoplamiento de los electrones a las vibraciones atómicas, deteniendo de hecho su agitado baile e impulsando a las moléculas a lograr un rendimiento incomparable.

“Todas las moléculas orgánicas, como las que se encuentran en las células vivas o dentro de la pantalla de su teléfono, consisten en átomos de carbono conectados entre sí mediante un enlace químico”, dijo Cavendish Ph.D. estudiante Pratyush Ghosh, primer autor del estudio y miembro del St John’s College.

“Esos enlaces químicos son como pequeños resortes vibratorios, que generalmente son sentidos por los electrones, lo que perjudica el rendimiento de las moléculas y dispositivos. Sin embargo, ahora hemos descubierto que ciertas moléculas pueden evitar estos efectos perjudiciales cuando restringimos la estructura geométrica y electrónica de la molécula. a algunas configuraciones especiales.”

Para demostrar estos principios de diseño, los científicos diseñaron una serie de moléculas eficientes que emiten infrarrojo cercano (680–800 nm). En estas moléculas, las pérdidas de energía resultantes de las vibraciones (esencialmente, electrones bailando al son de los átomos) fueron más de 100 veces menores que en las moléculas orgánicas anteriores.

Esta comprensión y desarrollo de nuevas reglas para diseñar moléculas emisoras de luz ha abierto una trayectoria extremadamente interesante para el futuro, donde estas observaciones fundamentales se pueden aplicar a las industrias.

“Estas moléculas también tienen una amplia gama de aplicaciones hoy en día. La tarea ahora es traducir nuestro descubrimiento para crear mejores tecnologías, desde pantallas mejoradas hasta moléculas mejoradas para imágenes biomédicas y detección de enfermedades”, concluyó el profesor Akshay Rao del Laboratorio Cavendish, quien dirigió esta investigación.