Uma equipe de pesquisadores da Universidade do Texas em Austin e da Universidade da Califórnia, Riverside encontrou uma maneira de produzir um fenômeno de longa hipótese - a transferência de energia entre o silício e o orgânico, moléculas baseadas em carbono - em uma descoberta que tem implicações para o armazenamento de informações na computação quântica, conversão de energia solar e imagens médicas. A pesquisa é descrita em um artigo publicado hoje na revista. Química da Natureza .

O silício é um dos materiais mais abundantes do planeta e um componente crítico em tudo, desde os semicondutores que alimentam nossos computadores às células usadas em quase todos os painéis de energia solar. Com todas as suas habilidades, Contudo, o silício tem alguns problemas quando se trata de converter luz em eletricidade. Diferentes cores de luz são compostas de fótons, partículas que carregam a energia da luz. O silício pode converter com eficiência fótons vermelhos em eletricidade, mas com fótons azuis, que carregam o dobro da energia dos fótons vermelhos, o silício perde a maior parte de sua energia na forma de calor.

A nova descoberta oferece aos cientistas uma maneira de aumentar a eficiência do silício combinando-o com um material à base de carbono que converte fótons azuis em pares de fótons vermelhos que podem ser usados ​​com mais eficiência pelo silício. Este material híbrido também pode ser ajustado para operar ao contrário, captando a luz vermelha e convertendo-a em azul, que tem implicações para tratamentos médicos e computação quântica.

"A molécula orgânica com a qual combinamos o silício é um tipo de cinza de carbono chamada antraceno. É basicamente fuligem, "disse Sean Roberts, um professor assistente de química da UT Austin. O artigo descreve um método para conectar quimicamente o silício ao antraceno, criando uma linha de força molecular que permite a transferência de energia entre o silício e a substância semelhante à cinza. "Agora podemos ajustar esse material para reagir a diferentes comprimentos de onda de luz. Imagine, para computação quântica, ser capaz de ajustar e otimizar um material para transformar um fóton azul em dois fótons vermelhos ou dois fótons vermelhos em um azul. É perfeito para armazenamento de informações. "

Por quatro décadas, os cientistas levantaram a hipótese de que emparelhar o silício com um tipo de material orgânico que absorve melhor a luz azul e verde com eficiência pode ser a chave para melhorar a capacidade do silício de converter luz em eletricidade. Mas simplesmente colocar em camadas os dois materiais nunca trouxe a antecipada "transferência de exciton spin-tripleto, "um tipo específico de transferência de energia do material à base de carbono para o silício, precisava realizar esse objetivo. Roberts e cientistas de materiais da UC Riverside descrevem como romperam o impasse com minúsculos fios químicos que conectam nanocristais de silício ao antraceno, produzindo a transferência de energia prevista entre eles pela primeira vez.

"O desafio tem sido tirar pares de elétrons excitados desses materiais orgânicos e colocá-los no silício. Não pode ser feito apenas depositando um sobre o outro, "Roberts disse." É preciso construir um novo tipo de interface química entre o silício e este material para permitir que eles se comuniquem eletronicamente. "

Roberts e sua estudante de graduação Emily Raulerson mediram o efeito em uma molécula especialmente projetada que se liga a um nanocristal de silício, a inovação dos colaboradores Ming Lee Tang, Lorenzo Mangolini e Pan Xia, da UC Riverside. Usando um laser ultrarrápido, Roberts e Raulerson descobriram que o novo fio molecular entre os dois materiais não era apenas rápido, resiliente e eficiente, ele poderia efetivamente transferir cerca de 90% da energia do nanocristal para a molécula.

"Podemos usar essa química para criar materiais que absorvem e emitem qualquer cor de luz, "disse Raulerson, Quem diz isso, com mais ajustes finos, nanocristais de silício semelhantes amarrados a uma molécula podem gerar uma variedade de aplicações, de óculos de visão noturna sem bateria a novos eletrônicos em miniatura.

Outros processos altamente eficientes desse tipo, chamada conversão ascendente de fóton, anteriormente contava com materiais tóxicos. Como a nova abordagem usa exclusivamente materiais não tóxicos, abre a porta para aplicações na medicina humana, bioimagem e tecnologias ambientalmente sustentáveis, algo que Roberts e seu colega químico da UT Austin, Michael Rose, estão trabalhando.

Na UC Riverside, O laboratório de Tang foi o pioneiro em como anexar as moléculas orgânicas às nanopartículas de silício, e o grupo de Mangolini projetou os nanocristais de silício.

"A novidade é realmente como fazer com que as duas partes desta estrutura - as moléculas orgânicas e os nanocristais de silício confinados quânticos - funcionem juntas, "disse Mangolini, professor associado de engenharia mecânica. "Somos o primeiro grupo a realmente colocar os dois juntos."