Открытие настраиваемых и растворимых органических эмиттеров для твердотельных лазеров с помощью самообучающейся лаборатории

Освещая будущее мини‑лазеров

От носимых медицинских сенсоров до диагностических систем «лаборатория на чипе» — многие новые технологии требуют маленьких, дешёвых лазеров, которые можно печатать как чернила, а не изготавливать в условиях чистых помещений. В этом исследовании показано, как сочетание продуманной химии и автоматизированной «самообучающейся» лаборатории позволяет быстро открывать новые светоизлучающие органические молекулы, которые легко обрабатываются из раствора и способны давать лазероподобный свет в диапазоне от фиолетового до ближней инфракрасной области.

Почему нужны новые молекулы‑источники света

Органические твердотельные лазеры привлекательны тем, что они могут давать чрезвычайно чистые цвета, их можно настраивать по спектру, и их можно изготовить из углеродосодержащих материалов, похожих на те, что используются в OLED‑дисплеях. Однако одна стойкая проблема тормозит их распространение: многие из высокоэффективных молекул громоздки и плохо растворяются в обычных растворителях. Это затрудняет их обработку в тонкие плёнки с использованием масштабируемых методов, таких как спин‑коутинг или печать, и часто вынуждает исследователей прибегать к медленным вакуумным технологиям. Авторы поставили задачу спроектировать новое семейство молекул, которые сохраняют сильные лазерные характеристики и при этом хорошо растворимы, что позволит быстро и дешёво получать качественные плёнки.

Робохимик исследует химическое пространство

Команда построила поиск вокруг модульной конструкции молекулы «A–B–A». Внешние фрагменты «A» — это фиксированные световыделяющие блоки на основе флуорена, известные своей жёсткостью и яркой флуоресценцией. Центральный фрагмент «B» — сменный элемент, который можно подбирать для настройки цвета и характеристик. Используя расчёты, основанные на квантовой химии, они сначала отобрали виртуальную библиотеку из 252 возможных B‑фрагментов. Кандидаты ранжировались по силе поглощения света и по вероятности испускания на более длинных длинах волны — это важно для получения тёплых цветов и ближней инфракрасной области. В результате виртуальной сортировки для реального тестирования выбрали 51 перспективную молекулу.

Эти 51 кандидата затем передали в лабораторию уровня 3 с самоуправлением: сеть автоматизированных приборов для взвешивания твёрдых веществ, проведения реакций, очистки продуктов и измерения оптических свойств с минимальным участием человека. Система могла синтезировать каждую молекулу A–B–A в один шаг, очищать её и затем фиксировать, насколько эффективно она флуоресцирует и насколько пригодна для действия в качестве лазерного эмиттера, что количественно оценивалось с помощью «поперечного сечения усиления излучения», объединяющего яркость и скорость излучения. Этот замкнутый цикл позволил исследователям изучать химическое пространство гораздо быстрее и системнее, чем при ручной работе.

Приёмы проектирования для настройки цвета и яркости

Учёные сначала изучили простые углеводородные варианты своих молекул, которые в основном светились фиолетовым и синим. Затем они ввели в B‑фрагмент атомы азота, серы, кислорода и комбинации этих «гетероатомов». Это изменяло распределение электронов в молекуле и сдвигало цвета немного в сторону зелёного и циана, но крупные сдвиги в красную область оставались труднодостижимыми. Прорывом стали две более сложные семейства дизайнов. В первом команда использовала кольцевую систему, называемую дикетопирролопирролопропеном (diketopyrrolopyrrole), в качестве центрального B‑звена и присоединила тиофеновые кольца и флуореновые концевые блоки. Одна выдающаяся молекула, обозначенная AM03, сместила излучение глубоко в красную и ближнюю инфракрасную области, сохранив при этом сильное усиление — редкое сочетание.

Второе семейство строилось на фрагментах на основе бензодиазола, давно используемых для зелёно‑жёлтых эмиттеров. Здесь исследователи систематически меняли, какие гетероатомы находятся в кольце (например, заменяя серу на кислород, азот или селен), добавляли атомы фтора и присоединяли дополнительные тиофеновые кольца. Каждое изменение предсказуемо сдвигало цвет и эффективность: фтор обычно сдвигал излучение в синюю область за счёт сужения энергетического зазора, тогда как дополнительные тиофеновые звенья удлиняли конъюгированную систему и приводили к сильным красным сдвигам. Один дериват бензоселенадиазола, BD12, в связке с тиофеном и флуореном сдвинул излучение за 700 нанометров, войдя в технологически важную ближнюю инфракрасную область.

От растворов к рабочим тонким плёнкам

Чтобы проверить, смогут ли эти новые молекулы работать в реальных устройствах, команда ввела AM03 и BD12 в тонкие слои стандартного хост‑материала, который помогает перераспределять энергию на примесные эмиттеры. Обе молекулы остались ярко излучающими в твёрдом состоянии, и особенно AM03 показала исключительно эффективное усиление света. При возбуждении короткими лазерными импульсами тонкие плёнки с всего 1% AM03 демонстрировали усилённое спонтанное излучение — шаг на пути к лазерированию — около 720 нанометров с очень низким порогом энергии, что превосходит предыдущие эталоны для красного излучения. BD12 также дала ближне‑инфракрасное излучение, хотя с более высоким порогом, что указывает на то, что надо ещё контролировать дополнительные потери, например вызванные агрегацией молекул.

Что это значит для повседневных технологий

В целом исследование демонстрирует, что роботизированный, вычислениями управляемый подход может выявлять семейства органических молекул, которые одновременно легко обрабатываются и способны давать настраиваемый, лазероподобный свет от синего до ближней инфракрасной области. Для широкой аудитории ключевая мысль такова: мы учимся «подбирать» цвет и характеристики, переставляя молекулярные блоки как детали конструктора, а автоматизированные лаборатории могут выполнять большую часть проб и ошибок. Эти достижения приближают нас к печатаемым, недорогим лазерам, которые можно встраивать в медицинские диагностические приборы, экологические сенсоры, гибкие дисплеи и компактные оптические коммуникации, уменьшая сложные фотонные инструменты до уровня повседневных устройств.

Цитирование: Park, H.S., Mazaheri, M., Choi, C. et al. Discovery of tunable and soluble organic emitters for solid-state lasers with a self-driving laboratory. Nat Commun 17, 2920 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69233-2

Ключевые слова: органические лазеры, самообучающаяся лаборатория, светоизлучающие молекулы, излучение в ближней инфракрасной области, поиск материалов