p Na torção e giro de longas moléculas orgânicas, Pesquisadores do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) encontraram um grupo promissor de materiais para as células solares supereficientes do futuro. p Em um novo artigo na Nature Chemistry, Os pesquisadores do NREL demonstraram como uma molécula cuidadosamente projetada pode dividir com eficiência a energia transmitida por um fóton em dois estados excitados e mantê-los separados por vários microssegundos - um longo tempo na escala molecular. Os três autores - Nadia Korovina, Chris Chang, e Justin Johnson - valeram-se de seus diversos conhecimentos em química e modelagem de computador para projetar essa nova molécula e aprender como ela funciona.

p Quando um fóton atinge um material semicondutor apropriado, ele cria um exciton - um estado de energia excitado. Em algumas moléculas orgânicas, o exciton pode se dividir, formando dois excitons trigêmeos. Este processo de "fissão singlete" poderia potencialmente ser usado para extrair mais energia de cada fóton absorvido do que em uma célula solar tradicional. Contudo, se esses dois trigêmeos se encontrarem, eles irão se recombinar e deixar de existir. Adicionalmente, o processo pelo qual um singlete se divide em dois trigêmeos estáveis ​​muitas vezes pode perder alguma energia para o calor.

p Uma molécula fotovoltaica orgânica ideal resolveria esses dois problemas - o que significa que converte excitons singletes em trigêmeos sem perda de calor e mantém esses trigêmeos separados para que não possam se recombinar. Em vez de procurar por tal molécula, a equipe do NREL decidiu projetar o seu próprio. Baseando-se em pesquisas anteriores, a equipe sabia em geral quais tipos de moléculas orgânicas eram promissoras. Mas eles precisavam determinar exatamente quanto tempo e complexas essas moléculas deveriam ter para evitar a recombinação de trincas.

p Com esse objetivo em mente, Korovina sintetizou uma série de moléculas de comprimentos variados, todos feitos de cadeias de cromóforos - blocos de construção moleculares que absorvem luz.

p "A parte mais difícil foi projetar moléculas nas quais o equilíbrio perfeito das energias singlete e tripla fosse alcançado, "Disse Korovina." Após cerca de um ano de tentativa e erro, tínhamos as moléculas certas a partir das quais fomos capazes de aprender os meandros do processo de fissão singlete. "

p Depois de classificar cuidadosamente essas moléculas por tamanho, a equipe descobriu que uma cadeia de pelo menos três cromóforos é necessária para isolar com sucesso dois excitons tripletos.

p Para descobrir exatamente como a cadeia de cromóforos estava isolando os dois tripletos, Johnson e Korovina se voltaram para Chang, um cientista computacional com formação em bioquímica. "Vejo que modelar ajuda a responder a duas grandes questões, "Disse Chang." Como funciona com base em princípios básicos? E como fica quando isso acontece? "

p Ao criar e refinar um modelo de como as moléculas se movem e interagem, a equipe descobriu que um movimento de torção dá às moléculas as características necessárias para isolar os trigêmeos. A cadeia molecular é geralmente frouxa e flexível quando não está sob iluminação; mas quando absorve um fóton, a corrente se torce em torno de seu eixo central e inicialmente enrijece, resultando em uma forma que facilita a formação de dois trigêmeos. A torção subsequente que ocorre após o término do processo inicial ajuda a separar espacialmente os dois trigêmeos, alongando sua expectativa de vida.

p Ao combinar abordagens experimentais e de modelagem, a equipe não só foi capaz de desenvolver uma molécula absorvente de energia promissora, mas também para explicar sua função em detalhes. Agora que o mecanismo fundamental é bem compreendido, o futuro desenvolvimento e uso de moléculas semelhantes em células solares de alta eficiência ou outros sistemas fotoeletroquímicos devem ser mais fáceis.

p "Novas descobertas como essa são possíveis sem cruzar disciplinas, "Johnson disse, "mas combinar experiência como fizemos pode gerar um impacto muito maior."