Un material desarrollado por Asst. Profe. Sihong Wang y el Prof. Juan de Pablo puede estirarse hasta más del doble de su longitud original sin interrumpir su capacidad de emitir luz y mostrar una imagen clara. Crédito: Imagen cortesía de Wang Group
Los investigadores han desarrollado un material de visualización digital altamente flexible y elástico que emite un patrón fluorescente. El material, que puede doblarse por la mitad y estirarse más del doble de su longitud original, tiene aplicaciones potenciales en dispositivos electrónicos portátiles, sensores de salud y pantallas de computadora plegables. Esta nueva clase de material se creó a partir de la combinación de conocimientos de diferentes áreas, como modelos atómicos de nuevos polímeros y fluorescencia retardada activada térmicamente, lo que permite una emisión de luz altamente eficiente. Los investigadores están trabajando en nuevos desarrollos que incluyen colores adicionales y mayor eficiencia y rendimiento.
Imagine una pantalla digital que sea delgada y tan flexible que pueda envolverla alrededor de su muñeca, doblarla en cualquier dirección o enrollarla sobre el volante de su automóvil. Investigadores de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular (PME) de la Universidad de Chicago han diseñado un material de este tipo, que puede doblarse por la mitad o estirarse hasta más del doble de su longitud original, mientras sigue emitiendo un patrón fluorescente.
El material, descrito en la revista Nature Materials, tiene una amplia gama de aplicaciones, desde dispositivos electrónicos portátiles y sensores de salud hasta pantallas de computadora plegables.
«Uno de los componentes más importantes de casi todos los productos electrónicos de consumo que usamos hoy en día es una pantalla, y hemos combinado la experiencia de muchos campos diferentes para crear una tecnología de pantalla completamente nueva», dijo Sihong Wang, profesor asistente de ingeniería molecular, quien dirigió la investigación con Juan de Pablo, Liew Family Catedrático de Ingeniería Molecular.
“Esta es la clase de material que necesita para finalmente desarrollar pantallas verdaderamente flexibles”, agregó de Pablo. «Este trabajo es realmente fundamental y espero que permita muchas tecnologías en las que ni siquiera hemos pensado todavía».
Fabricación de polímeros flexibles y ligeros
Las pantallas de la mayoría de los teléfonos inteligentes de gama alta, así como un número cada vez mayor de televisores, utilizan tecnología OLED (diodo orgánico emisor de luz), que coloca pequeñas moléculas orgánicas entre los conductores. Cuando se enciende una corriente eléctrica, las pequeñas moléculas emiten una luz brillante. La tecnología es más eficiente energéticamente que los monitores LED y LCD más antiguos y es elogiada por sus imágenes nítidas. Sin embargo, los componentes básicos moleculares de los OLED tienen fuertes enlaces químicos y estructuras rígidas.
“Los materiales que se utilizan actualmente en estas pantallas OLED de gama alta son muy frágiles; no tienen elasticidad”, dijo Wang. “Nuestro objetivo era crear algo que mantuviera la electroluminiscencia de OLED, pero con polímeros elásticos”.
Wang y de Pablo sabían lo que se necesita para imbuir materiales con elasticidad (polímeros largos con cadenas moleculares flexibles) y también sabían qué estructuras moleculares se necesitaban para que un material orgánico emitiera luz de manera muy eficiente. Se propusieron crear nuevos polímeros que integren ambas propiedades.
“Logramos desarrollar modelos atómicos de los nuevos polímeros de interés y, con estos modelos, simulamos lo que les sucede a estas moléculas cuando las estiras y tratas de doblarlas”, explica de Pablo. «Ahora que entendemos estas propiedades a nivel molecular, tenemos un marco para diseñar nuevos materiales donde se optimizan la flexibilidad y la luminiscencia».
Científicos de la Universidad de Chicago han diseñado un material de pantalla digital flexible y estirable capaz de emitir un patrón fluorescente, con uso potencial en dispositivos electrónicos portátiles y pantallas plegables. Crédito: Imagen cortesía de Wang Group
Armados con predicciones informáticas para nuevos polímeros electroluminiscentes flexibles, construyeron varios prototipos. Tal como lo había predicho el modelo, los materiales eran flexibles, elásticos, brillantes, duraderos y energéticamente eficientes.
Una característica clave en su diseño fue el uso de «fluorescencia retardada activada por calor», que permite que los materiales conviertan la energía eléctrica en luz de una manera altamente eficiente. Este motor de tercera generación para emisores orgánicos puede proporcionar materiales con un rendimiento equivalente a las tecnologías OLED comerciales.
Una visión para la electrónica portátil
Wang ya había desarrollado chips informáticos neuromórficos extensibles que pueden recopilar y analizar datos de salud en una especie de tirita flexible. La capacidad de crear pantallas extensibles ahora se suma a su creciente conjunto de herramientas para dispositivos electrónicos portátiles de última generación.
Los materiales plegables que emiten luz, dijo, no solo se pueden usar para mostrar información, sino que también se pueden integrar en sensores portátiles que requieren luz. Los sensores que miden la oxigenación de la sangre y la frecuencia cardíaca, por ejemplo, normalmente hacen brillar una luz a través de los vasos sanguíneos para detectar el flujo de sangre.
Wang dijo que un material de iluminación flexible también podría eventualmente integrarse en dispositivos implantables, como los que usan luz para controlar la actividad de las neuronas en el cerebro (y enfermedades cerebrales).
“Combinamos conocimientos de muchos campos diferentes para crear una tecnología de visualización completamente nueva”.
— Sihong Wang, Profesor Asistente, Ingeniería Molecular Pritzker
“Mi sueño general es fabricar todos los componentes esenciales para un sistema electrónico portátil completo, desde la detección hasta el procesamiento y visualización de la información”, explicó Wang. “Tener este material elástico emisor de luz es un paso más hacia ese sueño”.
El equipo planea desarrollar más iteraciones de la pantalla en el futuro, integrando colores adicionales en la fluorescencia y mejorando la eficiencia y el rendimiento.
“El objetivo es alcanzar el mismo nivel de rendimiento que las tecnologías comerciales existentes”, dijo Wang.
Referencia: «Polímeros emisores de luz elásticos de alta eficiencia a partir de fluorescencia retardada activada térmicamente» por Wei Liu, Cheng Zhang, Riccardo Alessandri, Benjamin T. Diroll, Yang Li, Heyi Liang, Xiaochun Fan, Kai Wang, Himchan Cho, Youdi Liu, Yahao Dai , Qi Su, Nan Li, Songsong Li, Shinya Wai, Qiang Li, Shiyang Shao, Lixiang Wang, Jie Xu, Xiaohong Zhang, Dmitri V. Talapin, Juan J. de Pablo y Sihong Wang, 6 de abril de 2023, Nature Materials .
DOI: 10.1038/s41563-023-01529-w
Financiamiento: Universidad de Chicago, Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., Departamento de Energía de EE. UU.
