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Semiconduttori, scoperte le proprieta’ di nuovi cristalli liquidi fluorescenti

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L’elettronica organica è un ramo di ricerca che negli ultimi tempi sta rivestendo un ruolo sempre di maggiore importanza, sia in termini accademici che industriali. La ricerca sui semiconduttori negli ultimi tempi si sta focalizzando su nuovi materiali organici, che permettano di sostituire quelli più tradizionali come il silicio. In merito al tema, una ricerca interamente condotta dal Dipartimento di chimica e tecnologie chimiche dell’Università della Calabria ha messo in luce per la prima volta nei cristalli liquidi il fenomeno dell’elettrofluorocromismo, ovvero la modulazione della fluorescenza dei materiali a seguito di reazioni di ossido-riduzione causate dall’applicazione di piccole differenze di potenziale.

La ricerca, pubblicata su Nature Communications a firma di Amerigo Beneduci, Sante Cospito, Massimo La Deda, Lucia Veltri, Giuseppe Chidichimo, ha permesso la realizzazione di dispositivi molto semplici ad un solo strato, in cui il materiale liquido cristallino è intrappolato tra due vetrini semiconduttori di Ito. L’applicazione di voltaggi dell’ordine di 1-2 V causa la riduzione elettrochimica del materiale con conseguente aumento della fluorescenza (fino a 10 volte) dovuta alla formazione di specie che sono molto più fluorescenti rispetto a quelle non ridotte.

Oltre al peso scientifico della scoperta – è la prima volta che il fenomeno dell’elettrofluorocromismo si osserva nei cristalli liquidi – il lavoro ha anche un forte carattere applicativo per l’impiego di questa nuova classe di materiali nei dispositivi elettroluminescenti.

I materiali elettrofluorocromici offrono infatti un’ampia gamma di applicazioni tecnologiche, quali dispositivi a memoria, sensori e display. Materiali di questo tipo devono essere molto fluorescenti ed al tempo stesso elettroattivi. Fino ad ora, nessuno era riuscito a sintetizzare cristalli liquidi con queste proprietà. Generalmente infatti, l’autoassemblaggio delle molecole nella fase liquido cristallina, causa la perdita della fluorescenza. In questa ricerca, tali limiti sono stati superati con la preparazione di cristalli liquidi basati sui tienoviologeni, che presentano emissioni di fluorescenza tra le più alte mai riportate in letteratura.

Il comportamento elettrofluorocromico dei cristalli liquidi è mostrato in Figura 1. Con l’applicazione di voltaggi inferiori a 2 V la fluorescenza emessa dal materiale aumenta fino a 10 volte rispetto a quella caratteristica del materiale (figura 1a). Queste differenze di potenziale causano allo stesso tempo un cambiamento del colore del materiale che da rosso diventa nero. Tale fenomeno, meglio conosciuto come elettrocromismo, è illustrato nello spettro UV-visibile di Figura 1b e nelle microfotografie riportate negli inserti della stessa figura.

L’applicazione dei tienoviologeni liquido-cristallini in dispositivi elettroottici, è stata studiata monitorando la fluorescenza del materiale sottoposto a cicli di impulsi elettrici di differente intensità e tempo di applicazione (figura 2). I risultati ottenuti sono estremamente soddisfacenti perché, oltre ad evidenziare la reversibilità della risposta elettrofluorocromica di questi materiali, le prestazioni sono paragonabili a quelle dei migliori materiali finora riportati in letteratura.

Altro interessante fenomeno osservato è quello dell’induzione della transizione di fase causata dal campo elettrico. Al microscopio ottico in luce polarizzata, il materiale fuso appare scuro (Figura 3a), ma applicando campi elettrici di debole intensità, si osserva la formazione delle strutture tipiche della fase liquido cristallina smettica (bâtonnets di colore rosso; Figura 3b). La rimozione del campo causa il ritorno allo stato isotropo fuso (Figura 3a). Monitorando questo fenomeno allo spettrofluorimetro, si osserva che la fluorescenza del materiale aumenta con il campo elettrico e si sposta notevolmente verso lunghezze d’onda di emissione maggiori (Figura 3c). Questo importantissimo risultato apre la strada al possibile impiego di questi materiali nei modulatori ottici perché, attraverso il fenomeno appena descritto, è possibile modulare anche il colore (lunghezza d’onda) della fluorescenza.  

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