化学家创造出色彩斑斓的有机分子

含碳熔融环链具有独特的光电特性，使其可用作半导体。这些链被称为acenes，也可以被调谐以发出不同颜色的光，这使它们成为有机发光二极管的良好候选者。

acene 发出的光的颜色由其长度决定，但随着分子变长，它们也变得不那么稳定，这阻碍了它们在发光应用中的广泛使用。

麻省理工学院的化学家现在已经想出了一种使这些分子更稳定的方法，使它们能够合成不同长度的乙酰。使用他们的新方法，他们能够构建发出红光、橙光、黄光、绿光或蓝光的分子，这可以使乙酰更容易在各种应用中部署。

“这类分子尽管具有实用性，但在反应性方面存在挑战，”麻省理工学院诺华化学副教授、这项新研究的资深作者罗伯特·吉利亚德说。“我们在这项研究中试图解决的首先是稳定性问题，其次，我们想制造可以具有可调光发射范围的化合物。

麻省理工学院的研究科学家Chun-Lin Deng是该论文的主要作者，该论文今天发表在 《自然化学》上。

五颜六色的分子

Acenes由苯分子（由碳和氢组成的环）组成，以线性方式融合在一起。由于它们富含可共享电子并且可以有效地传输电荷，因此它们已被用作半导体和场效应晶体管（使用电场控制半导体中电流流动的晶体管）。

最近的研究表明，一些碳原子被硼和氮取代或“掺杂”的乙烯具有更有用的电子性质。然而，与传统的乙烷一样，这些分子在暴露于空气或光线下时是不稳定的。通常，必须在称为手套箱的密封容器中合成丙烯，以保护它们免受空气暴露，这可能导致它们分解。乙酰苜蓿越长，就越容易受到氧气、水或光引发的不良反应的影响。

为了使乙酰更稳定，Gilliard决定使用他的实验室以前使用过的配体，称为碳二卡宾。在去年发表的一项研究中，他们使用这种配体来稳定硼氟离子，这种有机化合物可以响应温度变化而发出不同颜色的光。

在这项研究中，Gilliard和他的合著者开发了一种新的合成方法，使他们能够将碳二卡宾添加到也掺杂了硼和氮的乙烷中。随着新配体的加入，乙酰化带正电，这提高了它们的稳定性，也赋予了它们独特的电子性质。

使用这种方法，研究人员创造了产生不同颜色的丙烯，这取决于它们的长度和附着在碳二卡宾上的化学基团的类型。到目前为止，大多数已经合成的硼、氮掺杂的乙烷只能发出蓝光。

“红光发射对于广泛的应用非常重要，包括成像等生物应用，”Gilliard说。“很多人体组织都会发出蓝光，因此很难使用蓝色荧光探针进行成像，这也是人们寻找红色发射器的众多原因之一。

更好的稳定性

这些丙烯的另一个重要特征是它们在空气和水中都保持稳定。配位数低的含硼带电分子（意味着中心硼原子几乎没有邻居）在水中通常高度不稳定，因此乙烷在水中的稳定性是显着的，并且可以将它们用于成像和其他医学应用。

“我们对本文中报告的一类化合物感到兴奋的原因之一是它们可以悬浮在水中。这开辟了广泛的可能性，“Gilliard说。

研究人员现在计划尝试加入不同类型的碳二卡宾，看看它们是否可以制造出具有更好稳定性和量子效率（从材料发出多少光的量度）的额外乙烷。

“我们认为有可能制造出许多我们甚至还没有合成的不同衍生物，”吉利亚德说。“有很多光电特性可以被调入，我们还没有探索，我们也对此感到兴奋。

Gilliard还计划与麻省理工学院电气工程教授Marc Baldo合作，尝试将新的乙酰元素整合到一种称为单裂变太阳能电池的太阳能电池中。这种类型的太阳能电池可以从一个光子产生两个电子，使电池效率更高。

Gilliard说，这些类型的化合物也可以被开发用作电视和电脑屏幕的发光二极管。有机发光二极管比传统 LED 更轻、更灵活，产生更明亮的图像，并且功耗更低。

“我们仍处于开发特定应用的早期阶段，无论是有机半导体、发光器件还是基于单线态裂变的太阳能电池，但由于它们的稳定性，器件制造应该比这些化合物的典型要顺利得多，”Gilliard说。

“通过结合活性零价碳和阳离子硼物种，这项具有非传统范式的创造性工作无疑为开发高度空气和光稳定的发光材料和微型能量收集装置铺平了一条有希望的道路，”中国中央研究院化学研究所副所长Tiow-Gan Ong说，他没有参与这项研究。

该研究由阿诺德和梅布尔·贝克曼基金会和美国国家科学基金会主要研究仪器计划资助。