نجح علماء في جامعة كامبريدج في تغذية جسيمات نانوية عازلة باستخدام هوائيات جزيئية، مطوّرين بذلك صمام ثنائي باعث للضوء (قاد) فائق النقاء يعمل بالأشعة تحت الحمراء القريبة. تُشير نتائج هذا البحث، المنشورة في عدد 19 نوفمبر من مجلة *طبيعة*، إلى ابتكار فئة جديدة من صمامات قاد فائقة النقاء تعمل بالأشعة تحت الحمراء القريبة، مع تطبيقات محتملة في التشخيص الطبي، وأنظمة الاتصالات البصرية، وتقنيات الاستشعار. يُركز فريق البحث في مختبر كافنديش بجامعة كامبريدج على دراسة المواد والأجهزة النانوية البصرية الإلكترونية.
اكتشف فريق البحث أنه بربط جزيئات عضوية، وتحديدًا حمض 9-أنثراسين كاربوكسيليك (9-قانون الرعاية الميسرة)، بجسيمات نانوية من العناصر الأرضية النادرة (جسيمات النانو اللزجة) مضاف إليها السيريوم، تعمل هذه الجزيئات كهوائيات مصغرة، تنقل الطاقة الكهربائية بفعالية إلى هذه الجسيمات غير الموصلة عادةً. تتيح هذه الطريقة المبتكرة لهذه الجسيمات النانوية، التي لطالما كانت غير متوافقة مع المكونات الإلكترونية، إصدار الضوء لأول مرة.
يتمحور البحث حول الجسيمات النانوية المُشبّعة بالسيريوم (جسيمات النانو اللزجة)، وهي فئة من المواد معروفة بقدرتها على إنتاج ضوء شديد النقاء والثبات، لا سيما في النطاق الثاني للأشعة تحت الحمراء القريبة، والذي يمكنه اختراق الأنسجة البيولوجية الكثيفة. على الرغم من هذه المزايا، إلا أن افتقارها للتوصيل الكهربائي حال دون استخدامها في المكونات الإلكترونية مثل مصابيح قاد لفترة طويلة.
حلّ فريق البحث هذه المشكلة بتطوير مادة هجينة تجمع بين مكونات عضوية وغير عضوية. ثبّتوا أصباغًا عضوية تحتوي على مجموعات تثبيت وظيفية على السطح الخارجي لجسيمات النانو النانوية اللاصقة. في الصمام الثنائي الباعث للضوء (قاد)، تُوجَّه الشحنة إلى جزيئات 9-قانون الرعاية الميسرة، التي تعمل كهوائيات جزيئية، بدلًا من نقلها مباشرةً إلى الجسيمات النانوية.
بمجرد تحفيزها، تدخل هذه الجزيئات في حالة ثلاثية مثارة. في العديد من الأنظمة البصرية، تُعتبر هذه الحالة الثلاثية عادةً حالةً مظلمةً ولا تُستغل؛ ومع ذلك، في هذا التصميم، ينتقل أكثر من 98% من الطاقة من الحالة الثلاثية إلى أيونات السيريوم داخل الجسيمات النانوية العازلة، مما ينتج عنه انبعاث ضوء ساطع وفعال. تتيح هذه الطريقة الجديدة لمصابيح ليد التي طورها الفريق العمل بجهد منخفض يبلغ حوالي 5 فولت، وإنتاج إضاءة كهربائية بعرض طيفي ضيق للغاية وكفاءة كمية خارجية قصوى تتجاوز 0.6%، مما يجعلها متفوقة بشكل كبير على التقنيات المنافسة مثل النقاط الكمومية.
يفتح هذا الاكتشاف آفاقًا واسعة من التطبيقات المحتملة للأجهزة الطبية المستقبلية. يمكن استخدام مصابيح ليد الليثيوم (مصابيح ليد) المصغّرة، القابلة للحقن أو الارتداء، في تصوير الأنسجة العميقة للكشف عن أمراض مثل السرطان، ومراقبة وظائف الأعضاء آنيًا، أو تحفيز الأدوية الحساسة للضوء بدقة. كما أن نقاء الضوء المنبعث وضيق نطاقه الطيفي يُبشران بتطوير أنظمة اتصالات بصرية أسرع وأكثر وضوحًا، مما قد يؤدي إلى نقل بيانات أكثر كفاءة مع تداخل أقل.