麻省理工學院的研究人員提高了烯類分子的穩定性，烯類分子在半導體和發光二極體方面具有潛力。這項突破使烯可以發出各種顏色的光，並可推動其在高效能太陽能電池和更明亮的節能螢幕中的應用。這種分子被稱為烯，可用作有機發光二極體或太陽能電池，以及其他可能的應用。

熔融含碳環鏈具有獨特的光電特性，可用作半導體。這些被稱為烯的鏈還可以調整為發出不同顏色的光，這使它們成為有機發光二極體的理想候選材料。

烯類發出的光的顏色由其長度決定，但隨著分子變長，它們的穩定性也會降低，這阻礙了它們在發光應用中的廣泛使用。

現在，麻省理工學院的化學家們想出了一種使這些分子更加穩定的方法，從而可以合成不同長度的烯。利用這種新方法，他們能夠製造出能發出紅光、橙光、黃光、綠光或藍光的分子，使烯更容易應用於各種領域。

麻省理工學院的化學家們想出了一種讓烯類分子更穩定的方法。在這裡，藝術家的詮釋顯示了風格化的烯發出紅色、橙色、黃色、綠色和藍色的光。資料來源：Jose-Luis Olivares，麻省理工學院

麻省理工學院諾華化學副教授、這項新研究的資深作者羅伯特-吉利亞德（Robert Gilliard）說：”這一類分子儘管有用，但在反應性方面存在挑戰。在這項研究中，我們首先要解決的是穩定性問題，其次，我們想製造出可以在一定範圍內調節光發射的化合物。 “

麻省理工學院研究科學家鄧春林是這篇論文的第一作者，論文於12月5日發表在《自然-化學》雜誌。

烯由苯分子（由碳和氫組成的環）以線性方式融合在一起。由於它們富含可共享電子並能高效地傳輸電荷，因此一直被用作半導體和場效電晶體（利用電場控制半導體中電流流動的電晶體）。

最近的研究表明，用硼和氮取代或”摻雜”部分碳原子的烯具有更有用的電子特性。然而，與傳統的烯類一樣，這些分子在暴露於空氣或光線時並不穩定。通常情況下，烯必須在一個稱為手套箱的密封容器中合成，以防止它們暴露在空氣中而導致分解。時間越長，烯就越容易受到氧氣、水或光線的影響而發生不必要的反應。

烯由苯分子組成，苯分子是由碳和氫組成的環，以線性方式融合在一起。研究人員利用一種新方法，根據碳二炔的長度和所附化學基團的類型，創造出了能產生不同顏色的烯。圖片來源：研究人員提供

為了嘗試讓烯烴變得更穩定，吉利亞德決定使用一種他的實驗室以前曾經使用過的配體，也就是碳二炔。在去年發表的一項研究中，他們用這種配體穩定了硼芴離子，而這種有機化合物能隨著溫度的變化發出不同顏色的光。

在這項研究中，吉利亞德和他的合著者開發了一種新的合成方法，使他們能夠將碳二烯烴添加到同時摻雜硼和氮的烯烴中。加入新配體後，烯帶正電荷，從而提高了其穩定性，並賦予其獨特的電子特性。

利用這種方法，研究人員創造出了能產生不同顏色的烯，這取決於它們的長度和連接到碳二炔上的化學基團的類型。到目前為止，合成的大多數摻硼、摻氮烯只能發出藍光。

“紅色發射對於廣泛的應用非常重要，包括成像等生物應用，”吉利亞德說。 “許多人體組織都會發出藍光，因此很難使用藍色螢光探針進行成像，這也是人們尋找紅色發射體的眾多原因之一。 “

應用與未來方向

這些烯類化合物的另一個重要特點是，它們在空氣和水中都能保持穩定。配位數較低的含硼帶電分子（即中心硼原子的鄰位較少）在水中通常極不穩定，因此烯屬化合物在水中的穩定性值得注意，這使得將它們用於成像和其他醫療應用變得可行。

“我們之所以對本文報告的這一類化合物感到興奮，原因之一就是它們可以懸浮在水中。這開啟了廣泛的可能性，”吉利亞德說。

研究人員現在計劃嘗試加入不同類型的碳化二烯類化合物，看看他們能否創造出穩定性和量子效率（衡量材料發出多少光的指標）更好的其他烯類化合物。

吉利亞德說：”我們認為有可能製造出許多我們尚未合成的不同衍生物。有很多光電特性是我們尚未探索到的，我們對此也感到興奮。 “

吉利亞德還計劃與麻省理工學院電機工程教授馬克-巴爾多（Marc Baldo）合作，嘗試將新型烯類化合物融入一種被稱為單裂變太陽能電池的太陽能電池中。這種太陽能電池可以從一個光子產生兩個電子，使電池的效率大大提高。這類化合物還可以開發用作電視和電腦螢幕的發光二極管。有機發光二極體比傳統的發光二極體更輕、更靈活，能產生更明亮的影像，而且耗電量更低。

吉利亞德說：”無論是有機半導體、發光器件，還是基於單子裂變的太陽能電池，我們仍處於開發具體應用的早期階段，但由於它們的穩定性，器件的製造應該比一般的此類化合物要順利得多。 “

透過將活性零價碳和陽離子硼物種結合起來，這項具有非傳統範例的創意工作無疑為開發高度空氣和光穩定的發光材料和微型能量收集裝置鋪平了一條充滿希望​​的道路。

參考文獻”鄧春林、Akachukwu D. Obi、Bi Youan E. Tra、Samir Kumar Sarkar、Diane A. Dickie 和Robert J. Gilliard Jr.合著的《空氣和光穩定發光的碳二碳烯-氮雜硼砷離子》，2023 年12 月5 日，《自然-化學》。

DOI: 10.1038/s41557-023-01381-03

編譯來源：ScitechDaily