通过基于激光的光谱技术发现的新分子设计规则能够使电子与原子振动解除耦合，从而显著提高有机发光二极管和生物医学成像等应用的性能。自从一百多年前发现量子力学以来，人们就知道分子中的电子可以与构成分子的原子的运动相耦合。原子的运动通常被称为分子振动，就像微小的弹簧一样，发生着周期性的运动。
对于这些系统中的电子来说，与这些振动相连意味着它们也在不断运动，以百万分之一亿秒的时间尺度随着原子的旋律起舞。但是，所有这些舞动都会导致能量损失，并限制有机分子在发光二极管（OLED）、红外传感器以及用于研究细胞和标记癌细胞等疾病的荧光生物标记物等应用中的性能。
现在，研究人员利用激光光谱技术发现了能够阻止这种分子舞蹈的"新分子设计规则"。他们的研究成果发表在《自然》杂志上，揭示了能够阻止电子与原子振动耦合的关键设计原则，从而有效地关闭了分子的紧张舞蹈，推动分子实现无与伦比的性能。
艺术家绘制的有机分子光发射特性受原子量子舞动调节的示意图。图片来源：剑桥大学卡文迪什实验室 Pratyush Ghosh 编辑
该研究的第一作者、圣约翰学院博士生普拉蒂什-戈什（Pratyush Ghosh）说："所有有机分子，如活细胞中或手机屏幕中的有机分子，都是由碳原子通过化学键相互连接而成的。这些化学键就像微小的振动弹簧，电子通常会感受到它们，从而损害分子和设备的性能。然而，我们现在发现，当我们将分子的几何和电子结构限制在某些特殊构型时，某些分子可以避免这些有害影响。"
为了证明这些设计原理，科学家们设计了一系列高效的近红外发射（680-800 纳米）分子。在这些分子中，振动造成的能量损失--实质上是电子随原子的旋律起舞--比以前的有机分子低 100 多倍。
这种对设计发光分子的新规则的理解和开发，为未来开辟了一条极其有趣的轨迹，这些基本观察结果可以应用于各行各业。
"这些分子如今也有广泛的应用。现在的任务是将我们的发现转化为更好的技术，从增强型显示器到用于生物医学成像和疾病检测的改良分子，"领导这项研究的卡文迪什实验室的 Akshay Rao 教授总结道。
编译来源：ScitechDaily
OI: 10.1038/s41586-024-07246-x