پژوهشگران ژاپنی یک مولکول آلی جدید توسعه دادند که هم در نمایشگرهای OLED فوق‌کارآمد و هم در تصویربرداری پزشکی عمقی عملکرد عالی دارد و می‌تواند آینده فناوری و سلامت را متحول کند.
به گزارش تکناک، این دستاورد می‌تواند دنیای سرگرمی و سلامت را با یک فناوری مشترک متحول کند.
پیوند دنیای نمایشگرهای پیشرفته و تصویربرداری پزشکی
نمایشگرهای OLED برای عملکرد مطلوب به موادی نیاز دارند که بتوانند با بیشترین بازده ممکن نور تولید کنند. از سوی دیگر، تصویربرداری پزشکی در عمق بافت‌ها به ترکیباتی نیاز دارد که بتوانند نور را به‌گونه‌ای جذب کنند که آسیب به سلول‌های زنده به حداقل برسد.
تاکنون این دو حوزه به راهکارهای جداگانه وابسته بودند، اما پژوهشگران دانشگاه کیوشو موفق به طراحی یک مولکول آلی واحد شدند که در هر دو نقش عملکرد فوق‌العاده‌ای دارد.
این پیشرفت، ماده‌ای نوآورانه را معرفی می‌کند که دو ویژگی مهم را هم‌زمان دارد:
- از یک سو، نور را به‌طور مؤثر منتشر می‌کند و برای ساخت نمایشگرهای نسل جدید با روشنایی بیشتر و مصرف انرژی کمتر مناسب است
- از سوی دیگر، نور را به‌خوبی جذب می‌کند و امکان تصویربرداری پزشکی دقیق از بخش‌های عمیق بدن را فراهم می‌سازد
ترکیب دو ویژگی کمیاب در یک ساختار
نمایشگرهای OLED امروزی (از گوشی‌های هوشمند گرفته تا تلویزیون‌های بزرگ)، برای افزایش بازده نوری، اغلب از پدیده‌ای به نام فلورسانس تأخیری فعال‌شده با گرما (TADF) بهره می‌برند.
در این فرآیند، بخشی از انرژی که معمولاً در حالت‌های کم‌فعال‌تر یا غیرفعال نور تلف می‌شود، با کمک گرمای محیط دوباره فعال شده و به نور تبدیل می‌شود.
مواد دارای TADF قوی می‌توانند نمایشگرهایی روشن‌تر، کم‌مصرف‌تر و با کارایی بالاتر ایجاد کنند.
در تصویربرداری پزشکی از بافت‌های عمقی، استفاده از نور کم‌انرژی در محدوده مادون قرمز نزدیک ضروری است؛ چون این نوع نور کمتر در بافت‌ها پراکنده می‌شود و آسیب کمتری به آنها وارد می‌کند.
برای دستیابی به این هدف، از روشی به نام جذب دو فوتونی (2PA) استفاده می‌شود. در این روش، یک مولکول به‌طور هم‌زمان دو فوتون کم‌انرژی را جذب می‌کند و فقط در نقطه‌ای که پرتو لیزر متمرکز شده، فعال می‌شود.
این ویژگی باعث می‌شود تصویربرداری با دقت بالاتر و ایمنی بیشتر و بدون آسیب به نواحی اطراف انجام شود.
ترکیب هم‌زمان ویژگی‌های TADF قوی و جذب دو فوتونی بالا در یک مولکول، سال‌ها یکی از چالش‌های بزرگ در طراحی مواد نوری بوده است. دلیل این دشواری آن است که عملکرد مطلوب TADF معمولاً در مولکول‌هایی با ساختار پیچ‌خورده و جدایی زیاد بین نواحی فعال (اوربیتال‌ها) دیده می‌شود؛ در حالی‌که جذب دو فوتونی نیازمند ساختارهای صاف و منظم با هم‌پوشانی بالا بین این نواحی است.
این تفاوت در نیازهای ساختاری، طراحی یک مولکول دوکاره را بسیار پیچیده می‌کرد.
طراحی مولکولی نوآورانه با نام CzTRZCN
برای حل این مشکل، گروهی از پژوهشگران ژاپنی به رهبری دانشگاه کیوشو، مولکولی جدید به نام CzTRZCN طراحی کردندکردند. این مولکول از دو بخش اصلی تشکیل شده:
- واحد کربازول: بخشی از مولکول که تمایل دارد الکترون‌ها را آزاد کند (الکترون‌دهنده)
- هسته تری‌آزین: بخشی که الکترون‌ها را جذب می‌کند (الکترون‌پذیر)
در کنار این دو بخش، گروه‌های سیانو (–CN) نیز به ساختار اضافه شده‌اند. این گروه‌ها، که از یک اتم کربن و یک اتم نیتروژن تشکیل شده‌اند، خاصیت جذب الکترون دارند و با تنظیم توزیع بار الکتریکی در مولکول، به بهبود آرایش اوربیتال‌ها و عملکرد نوری کمک می‌کنند.
این طراحی هوشمندانه باعث می‌شود مولکول مانند یک «کلید دوحالته» عمل کند، به این شکل که:
- در مرحله جذب نور: ساختار مولکول به‌گونه‌ای تنظیم شده که اوربیتال‌ها هم‌پوشانی مناسبی داشته باشند؛ این ویژگی برای جذب دو فوتونی مؤثر ضروری است
- پس از برانگیختگی: مولکول تغییر شکل می‌دهد و به حالتی می‌رسد که در آن اوربیتال‌ها از هم جدا می‌شوند؛ این وضعیت برای عملکرد بهتر TADF مناسب است
نتایج آزمایش‌ها و کارایی بی‌سابقه
پژوهشگران با ترکیب محاسبات تئوری و آزمایش‌های عملی، عملکرد دوگانه مولکول CzTRZCN را تأیید کردند. در آزمایش‌های انجام‌شده روی یک دستگاه OLED، این مولکول توانست به بهره کوانتومی خارجی ۱۳٫۵ درصد دست پیدا کند که این مقدار در میان مواد TADF مبتنی بر تری‌آزین، یک رکورد محسوب می‌شود.
علاوه بر این، مولکول CzTRZCN دارای توانایی بالای جذب دو فوتونی و روشنایی زیاد است که این دو ویژگی آن را برای کاربردهای تصویربرداری پزشکی بسیار امیدوارکننده می‌سازند.
دکتر یوهی چیتوسه، سرپرست تیم تحقیقات، تأکید کرده است که این ماده به‌دلیل فاقد فلز بودن و سمیت پایین، گزینه‌ای مناسب و زیست‌سازگار برای استفاده در ابزارهای پزشکی است.
این مولوکول برای تصویربرداری دقیق از سلول‌ها و بافت‌ها، می‌تواند عملکرد بسیار خوبی داشته باشد.
چشم‌انداز کاربردها
این پژوهش، روشی نو برای طراحی مولکول‌هایی ارائه می‌دهد که بتوانند نور را به‌طور مؤثر جذب و منتشر کنند؛ رویکردی که می‌تواند به ساخت مواد چندمنظوره در زمینه‌هایی فراتر از پزشکی و نمایشگر منجر شود.
پژوهشگران قصد دارند این فناوری را برای طول‌موج‌های مختلف توسعه دهند و با متخصصان پزشکی و صنعت همکاری کنند. کاربردهای احتمالی شامل تصویربرداری زنده در بدن، حسگرهای پوشیدنی و نمایشگرهای OLED پیشرفته است.
