«La luz, buscando la luz, la luz de la luz engaña», dice un bufón en Trabajos de amor perdidos de Shakespeare.

Esta reflexión poética captura una paradoja inherente a la propia luz. La luz es un fenómeno cotidiano, pero su generación y absorción a nivel molecular siguen siendo objeto de intensa investigación científica.

OLEDs: ¿qué los hace brillar?

Los diodos orgánicos emisores de luz (OLED, por sus siglas en inglés) han transformado las pantallas y las tecnologías de iluminación modernas. Alimentan smartphones, televisores, portátiles, cascos de realidad virtual y aumentada, automóviles, dispositivos médicos e iluminación ambiental. Sus ventajas son bien conocidas: colores vivos, diseños ultrafinos, flexibilidad, alto contraste, tiempos de respuesta rápidos y amplios ángulos de visión.

Un OLED es una pila formada por varias capas de materiales orgánicos, cada una con una función específica. En la Figura 1 se muestra un esquema representativo. En el núcleo se encuentra la capa emisora, donde se genera la luz. Esta capa suele situarse entre una capa de transporte de electrones (ETL) y una capa de transporte de huecos (HTL), todas ellas dispuestas entre un cátodo cargado negativamente y un ánodo cargado positivamente.

Cuando se aplica un voltaje, se inyectan electrones desde el cátodo, mientras que en el ánodo se generan huecos (portadores de carga positiva). Estos portadores se desplazan a través de sus respectivas capas de transporte hasta la capa emisora, donde se encuentran y se recombinan para formar estados excitados llamados excitones. Cuando los excitones regresan a su estado fundamental, liberan energía en forma de luz. El color de la luz emitida está determinado por la estructura electrónica de las moléculas emisoras, por lo que un diseño químico preciso es fundamental para el rendimiento de los OLED.

A pesar de sus ventajas, los OLED siguen enfrentándose a varios desafíos. Los principales son la vida útil y la estabilidad, ya que los materiales están expuestos a la luz, la humedad, un voltaje constante y un flujo continuo de carga, lo que puede provocar reacciones de degradación. La mejora de los materiales emisores y de transporte, así como la optimización de la arquitectura de los dispositivos, son líneas de investigación clave para el desarrollo de nuevas pilas OLED.

Para desarrollar emisores estables y eficientes, es crucial comprender cómo se emite la luz. Existen distintos procesos, como la fluorescencia y la fosforescencia. Aunque los OLED fosforescentes pueden alcanzar casi el 100 % de eficiencia cuántica interna, los materiales fluorescentes todavía presentan eficiencias más bajas, lo que se traduce en un mayor consumo energético. Sin embargo, esta alta eficiencia tiene un coste: la dependencia de metales pesados raros plantea problemas de coste y sostenibilidad. Por ello, se están investigando alternativas como la fluorescencia retardada activada térmicamente (TADF) y emisores híbridos orgánico-inorgánicos.

Otros materiales de la pila OLED —como las capas de transporte de electrones y huecos o las capas de bloqueo— también pueden optimizarse mediante una mejor comprensión de los procesos de transporte y del ajuste de los niveles energéticos.

Química cuántica: ¿podemos entender los procesos moleculares?

En la búsqueda de mejores materiales, la combinación de experimentos con métodos computacionales ofrece importantes ventajas. La predicción de propiedades ópticas y electrónicas ayuda a seleccionar los candidatos más prometedores antes de su síntesis y caracterización experimental. De este modo, es posible explorar grandes espacios químicos virtuales, acelerando el desarrollo y reduciendo costes.

Los métodos computacionales permiten acceder a detalles estructurales y electrónicos que los experimentos rara vez pueden revelar por sí solos. La química cuántica, una rama de la química computacional basada en los principios de la mecánica cuántica, desempeña un papel especialmente relevante en la investigación de OLED. Otros enfoques, como los mecanísticos o quimioinformáticos, carecen de información directa sobre la estructura electrónica molecular.


Para muchos estudiantes de química, la química cuántica se percibe como algo entre difícil e innecesario —o ambas cosas a la vez—. Sin embargo, en el contexto de los OLED, su aplicación resulta esencial, ya que permite comprender mecanismos fundamentales ab initio, es decir, con mínimas suposiciones empíricas.

El transporte de carga y la emisión de luz son el núcleo de la funcionalidad OLED, y ambos requieren una descripción matemática rigurosa del comportamiento electrónico. Esta descripción viene dada por la ecuación de Schrödinger. Su resolución mediante métodos de química cuántica permite obtener niveles de energía internos y derivar diversas propiedades. Estos niveles determinan, por ejemplo, la posición de los orbitales moleculares responsables del transporte de carga y las diferencias energéticas implicadas en los procesos de excitación.

Para el transporte de carga, resultan especialmente relevantes los orbitales frontera: el orbital molecular más ocupado (HOMO) y el orbital molecular desocupado de menor energía (LUMO), como se muestra en la Figura 3. La extracción de un electrón del HOMO genera un hueco, mientras que la inyección de un electrón en el LUMO produce un portador de carga negativa. La emisión de luz ocurre cuando un electrón se relaja desde un estado excitado al estado fundamental, liberando energía en forma de fotón (véase la Figura 2).

Aunque los detalles de la química cuántica son complejos, su aplicación resulta claramente útil para problemas del mundo real [1].

TURBOMOLE: ¿cómo realizar los cálculos de forma eficiente?

La química cuántica no solo intimida por su formalismo matemático, sino también por la gran variedad de métodos disponibles y la abundancia de opciones técnicas. Las soluciones democratizadas ayudan a los usuarios a orientarse en esta “jungla” metodológica. Existen numerosos programas, tanto gratuitos como comerciales, que difieren en los métodos que ofrecen, su eficiencia computacional, facilidad de uso, estabilidad y áreas de especialización. BIOVIA ofrece el paquete de software altamente optimizado TURBOMOLE para cálculos de química cuántica [1].


Desde sus orígenes como un conjunto de herramientas de línea de comandos en Unix, TURBOMOLE se ha ido democratizando progresivamente. La interfaz gráfica TmoleX, disponible gratuitamente, facilita la preparación de cálculos, la gestión de trabajos y la visualización de resultados [2]. Además, mediante su integración en Pipeline Pilot [3], TURBOMOLE puede incorporarse a flujos de trabajo científicos más amplios. La plataforma 3DEXPERIENCE hace accesible el valor de la química cuántica incluso para usuarios no expertos.

Con el paso de los años, el paquete ha incorporado numerosas funcionalidades. Según la lista de software de química cuántica de Wikipedia, TURBOMOLE es actualmente uno de los paquetes con mayor número de capacidades implementadas (véase la Figura 5), muchas de ellas especialmente relevantes para la investigación en OLED.


El método de referencia para estudiar estados electrónicos excitados es la teoría del funcional de la densidad dependiente del tiempo (TD-DFT). Para cálculos más rápidos de absorción UV-Vis, TURBOMOLE ofrece el enfoque semiempírico TDDFT-RI-S. Para predicciones de mayor precisión, el software incluye implementaciones de la aproximación GW y la ecuación de Bethe–Salpeter (GW/BSE), el método CC2 (agrupaciones acopladas simples y dobles) y el método ADC(2) de segundo orden.

Mientras que GW/BSE se aplica como postprocesamiento de cálculos DFT, CC2 y ADC(2) son métodos independientes de DFT. Ambos mejoran significativamente la descripción de estados de transferencia de carga y tripletes. Una visión general de estos métodos y sus aplicaciones se resume en la Tabla 1.


Para capturar toda la complejidad de los procesos fotoquímicos, suele ser necesaria una combinación de métodos cuánticos, que incluya:

• Mecánica cuántica tanto para el estado fundamental como para los estados electrónicamente excitados
• Energías precisas del estado fundamental y de los estados excitados singlete y triplete
• Relajación geométrica de los estados excitados, ya que las estructuras moleculares pueden cambiar de forma significativa tras la excitación
• Frecuencias vibracionales de estados fundamentales y excitados, esenciales para espectros y dinámica
• Efectos de solvatación, dado que el entorno influye notablemente en las rutas de excitación y relajación
• Efectos de acoplamiento espín-órbita, clave para mejorar la eficiencia mediante la formación de excitones triplete en emisores de luz

Para estudios más especializados, TURBOMOLE también ofrece capacidades avanzadas como teoría de respuesta cuadrática, espectroscopía resuelta vibracionalmente, estudio de vías de desactivación no radiativa y simulaciones de dinámica no adiabática. Esto permite seleccionar el método adecuado para cada problema fotoquímico, desde cribados rápidos hasta simulaciones altamente precisas de procesos moleculares inducidos por la luz.

Conclusión

La investigación en OLED se sitúa en la intersección del diseño molecular, la ciencia de materiales y la química cuántica. Herramientas como BIOVIA TURBOMOLE, un potente paquete de química cuántica de BIOVIA, Dassault Systèmes, permiten a los científicos explorar esta frontera con rapidez y precisión, trasladando pantallas más brillantes y eficientes desde la teoría hasta nuestra vida cotidiana.

A medida que aumenta la potencia computacional y los métodos se vuelven más accesibles, la química cuántica desempeñará un papel cada vez más decisivo —y más democrático— en la aceleración de la investigación en materiales. Con esta base establecida, el siguiente acto está listo para brillar aún más.

Agradecimientos especiales a Uwe Huniar por las conversaciones esclarecedoras y por proporcionar las imágenes que ayudaron a dar vida a los conceptos técnicos de este artículo.

Referencias

[1] Sree Ganesh Balasubramani, Guo P. Chen, Sonia Coriani, Michael Diedenhofen, Marius S. Frank, Yannick J. Franzke, Filipp Furche, Robin Grotjahn, Michael E. Harding, Christof Hättig, Arnim Hellweg, Benjamin Helmich-Paris, Christof Holzer, Uwe Huniar, Martin Kaupp, Alireza Marefat Khah, Sarah Karbalaei Khani, Thomas Müller, Fabian Mack, Brian D. Nguyen, Shane M. Parker, Eva Perlt, Dmitrij Rappoport, Kevin Reiter, Saswata Roy, Matthias Rückert, Gunnar Schmitz, Marek Sierka, Enrico Tapavicza, David P. Tew, Christoph van Wüllen, Vamsee K. Voora, Florian Weigend, Artur Wodyński, Jason M. Yu (2020). TURBOMOLE: Suite modular de programas para simulaciones cuánticas y de materia condensada ab initio. Journal of Chemical Physics; 152 (18), 184107.

[2] Claudia Steffen, Klaus Thomas, Uwe Huniar, Arnim Hellweg, Olvier Rubner, Alexander Schroer. (2010). TmoleX: una interfaz gráfica de usuario para TURBOMOLE. Revista de Química Computacional, 31(16), 2967-2970.

[3] Pipeline Pilot.