Cambridgen, East Anglian ja Itä-Suomen yliopistojen tutkijat ovat kehittäneet uuden materiaaliryhmän, joka tuottaa valoa poikkeuksellisen tehokkaasti. Keksintö tarjoaa ratkaisun ongelmaan, joka on vuosikymmeniä hankaloittanut energiatehokkaiden näyttöjen ja valaisimien kehitystyötä. Maailman sähköntuotannosta peräti noin viidennes kuluu valaistukseen, joten keksintö lupaa mittavia energiansäästömahdollisuuksia.

Yliopistojen yhteistyönä syntynyt keksintö julkaistiin tällä viikolla maailman johtavassa tiedelehdessä, Sciencessa. Uudet materiaalit, joiden toiminta perustuu molekyylien pyörintään, tuottavat valoa nopeammin kuin koskaan ennen. Materiaalien uskotaan olevan avuksi nykyistä tehokkaampien, kirkkaampien ja kestävämpien televisioiden, valaisimien ja älypuhelimien näyttöjen kehitystyössä.

- On suorastaan uskomatonta, että tämä uusi materiaaliryhmä päihittää jo tässä vaiheessa suorituskyvyssä teknologiat, joiden kehitystyö on jatkunut vuosikymmeniä. Jos keksintöämme voidaan soveltaa koko väriskaalalle, se voi mullistaa tapamme tuottaa valoa, tohtori Dan Credgington Cambridgen yliopistosta toteaa.

Orgaaniset LEDit (OLED) keksittiin 1980-luvulla. OLEDit ovat molekyylimateriaaleja, joiden toiminta perustuu valon tuotantoon viritettäessä sähköisesti niiden sisältämiä orgaanisia molekyyleja. OLED-valaistusta hyödynnetään nykyään laajalti televisioissa, tietokoneissa ja puhelimissa. Niiden toimintaan liittyy kuitenkin perustavanlaatuinen ongelma, mikä on toistaiseksi rajoittanut sähköenergian muuntamista valoksi.

Molekyylien sähköinen viritys johtaa neljään eri tilaan, joista vain yksi on ”kirkas” ja voi tuottaa valoa nopeasti. Muut kolme tilaa ovat ”pimeitä”, hukaten energian valon sijaan lämmöksi (kuten hehkulamppu). Pimeitä tiloja on siten kolme neljästä, mikä lähtökohtaisesti asettaa OLED-laitteiden tehokkuuden ylärajaksi 25 prosenttia. Tilat johtuvat elektronien kvanttimekaanisesta ominaisuudesta, spinistä.

Pimeiden tilojen muuntamiseksi kirkkaiksi on etsitty ja esitetty ratkaisuja. Yksi ratkaisu on käyttää raskasmetalleja, kuten iridiumia ja platinaa, joilla on taipumus muuttaa spiniä ja siten muuntaa pimeitä tiloja valoksi. Muunnos on kuitenkin molekyylitason mittakaavassa hidas prosessi, mikä vaurioittaa OLEDien suorituskykyä.

East Anglian yliopiston kemistit onnistuivat valmistamaan yksinkertaisella menetelmällä uudenlaisen molekyylimateriaalin, jossa kaksi orgaanista molekyyliä on sitoutuneena kupari- tai kulta-atomiin muodostaen propellimaisen rakenteen. Sähköisessä virityksessä toinen orgaanisista molekyyleistä luovuttaa elektroneja toiselle, mikä saa propellin pyörimään. Pyörinnän seurauksena molekyyli saavuttaa tilan, jossa pimeät tilat muuntuvat nopeasti kirkkaiksi. Täten kaikki tilat saadaan valjastettua nopeaan valon tuottoon, jolloin tehokkuuden yläraja nousee 25 prosentista 100 prosenttiin.

- Keksintömme kuparin ja kullan yhdisteiden kyvystä tuottaa kirkkaita ja tehokkaita OLED-materiaaleja osoittaa, kuinka hyödyllistä kemia on yhteiskunnalle. Aiemmissa vastaavissa tutkimuksissa on käytetty mutkikkaampia ja kalliimpia molekyylien rakenneosia, mutta ne eivät ole johtaneet yhtä merkittäviin tuloksiin. Keksintömme vastaa ajankohtaisiin tutkimus- ja kehitystyön haasteisiin ja voi johtaa OLED-teknologian uusiin arkipäivän sovelluksiin, sanoo Dr. Alexander Romanov East Anglian yliopistosta.

Tietokonesimulaatioilla on ollut keskeinen rooli molekyylien pyörintään perustuvan toimintamekanismin selvittämisessä. Mallinnukset on suoritettu Itä-Suomen yliopiston Fysikaalisen kemian laboratoriossa.

- Tutkimus luo lähtökohdat löytämiemme poikkeuksellisen lupaavien OLED-materiaalien järjestelmälliseen kehittämiseen tietokoneiden avulla, sanoo apulaisprofessori Mikko Linnolahti Itä-Suomen yliopistosta.

Seuraava askel on suunnitella uusia molekyylejä, jotka kykenevät ottamaan kaiken hyödyn irti uudesta valontuottomenetelmästä.

- Työmme osoittaa, kuinka molekyylin pyörinnällä ja spinillä on huomattava yhteisvaikutus OLEDien suorituskykyyn. Näillä kvanttimekaniikan pienillä yksityiskohdalla on merkittäviä seurauksia maailmanlaajuisiin kaupallisiin sovelluksiin, kertoo Dr. Dawei Di Cambridgen yliopistosta.