Conforme descrito na ilustração acima, a nanoestrutura híbrida contém disseleneto de molibdênio (MoSe2) como base, seleneto de cádmio (CdSe) -sulfeto de zinco (ZnS) pontos quânticos (QDs) no lado externo, e a proteína aloficocianina (APC) imprensada entre os QDs e o MoSe2. Quando o sistema é excitado com luz (símbolo azul de relâmpago), a energia é transferida de forma gradual através dos diferentes componentes, conforme indicado pelas setas cinza. Uma vista superior da estrutura da proteína APC é mostrada à direita. Crédito:Laboratório Nacional de Brookhaven
Para absorver a luz solar que entra, as plantas e certos tipos de bactérias dependem de um complexo de proteínas coletoras de luz contendo moléculas chamadas cromóforos. Este complexo canaliza energia solar para o centro de reação fotossintética, onde é convertido em energia química para processos metabólicos.
Inspirado por essa arquitetura encontrada na natureza, cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven e da Stony Brook University (SBU) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) montaram uma estrutura nanohíbrida que contém materiais derivados biologicamente (bióticos) e inorgânicos (abióticos). Eles combinaram uma proteína coletora de luz de uma cianobactéria, nanocristais semicondutores (pontos quânticos), e um metal de transição semicondutor bidimensional (2-D) com apenas uma camada atômica de espessura. Descrito em artigo publicado em 29 de abril em ACS Photonics —Um jornal da American Chemical Society (ACS) —esta nanoestrutura poderia ser usada para melhorar a eficiência com que as células solares coletam energia do sol.
"Os melhores painéis solares de hoje podem converter quase 23 por cento da luz solar que absorvem em eletricidade, mas em média, sua eficiência varia entre 15 e 18 por cento, "disse o autor correspondente Mircea Cotlet, um cientista de materiais no Soft and Bio Nanomaterials Group no Brookhaven Lab's Center for Functional Nanomaterials (CFN) - um DOE Office of Science User Facility. "Se essa eficiência puder ser aumentada, mais eletricidade pode ser gerada. O nanohíbrido biótico-abiótico montado mostra melhor captação de luz e geração de portadores de carga elétrica em comparação com a estrutura de semicondutor 2-D apenas. Essas propriedades aumentam a resposta do nanohíbrido à luz quando a estrutura é incorporada a um transistor de efeito de campo (FET), uma espécie de dispositivo optoeletrônico. "
Ao projetar o nanohíbrido, os cientistas escolheram disseleneto de molibdênio 2-D atomicamente fino (MoSe 2 ) como plataforma para montagem ascendente. O disseleneto de molibdênio é um semicondutor, ou um material cuja condutividade elétrica está entre a de um condutor regular (pouca resistência ao fluxo de corrente elétrica) e o isolador (alta resistência). Eles combinaram MoSe 2 com dois nanomateriais coletores de luz fortes:pontos quânticos (QDs) e a proteína aloficocianina (APC) de cianobactérias.
Mingxing Li (sentado) e Mircea Cotlet (à esquerda) do Brookhaven Lab's Center for Functional Nanomaterials e Jia-Shiang Chen do Departamento de Ciência de Materiais e Engenharia Química da Stony Brook University usaram uma técnica de automontagem baseada nas interações entre partículas eletricamente carregadas (cargas opostas atrair; cargas semelhantes se repelem) para criar uma estrutura "nano-híbrida" que contém materiais biologicamente derivados e não vivos. Em comparação com as contrapartes não híbridas, o nanohíbrido mostra maior eficiência de transferência de energia e fotorresposta, ou resposta à luz - características ideais para aplicações de células solares. Crédito:Laboratório Nacional de Brookhaven
Os cientistas escolheram os componentes com base em suas propriedades de captação de luz e projetaram as lacunas de banda dos componentes (energia mínima necessária para excitar um elétron para participar da condução) de modo que uma transferência de energia gradual combinada possa ser promovida através do nano-híbrido de maneira direcional. No híbrido, a energia flui dos QDs excitados pela luz para a proteína APC e depois para o MoSe 2 . Esta transferência de energia imita os sistemas de coleta de luz natural onde os cromóforos de superfície (neste caso, QDs) absorvem luz e direcionam a energia coletada para cromóforos intermediários (aqui, APC) e finalmente para o centro de reação (aqui, MoSe 2 )
Para combinar os diferentes componentes, os cientistas aplicaram automontagem eletrostática, uma técnica baseada nas interações entre partículas eletricamente carregadas (cargas opostas se atraem; cargas semelhantes se repelem). Eles então usaram um microscópio óptico especializado para sondar a transferência de energia através dos nano-híbridos. Essas medições revelaram que a adição da camada de proteína APC aumenta a eficiência de transferência de energia do nanohíbrido com MoSe2 de camada única em 30 por cento. Eles também mediram a fotorresposta do nanohíbrido incorporado em um FET fabricado e descobriram que ele apresentava a maior responsividade em relação aos FETs contendo apenas um dos componentes, produzindo mais do que o dobro da quantidade de fotocorrente em resposta à luz que entra.
"Mais luz é transferida para o MoSe 2 no híbrido biótico-abiótico, "disse o primeiro autor e pesquisador associado Mingxing Li, que está trabalhando com Cotlet no Grupo CFN Soft and Bio Nanomaterials. "Maior transferência de luz combinada com as mobilidades de portadores de alta carga no MoSe 2 significa que mais portadores serão coletados pelos eletrodos em um dispositivo de célula solar. Esta combinação é promissora para aumentar a eficiência do dispositivo. "
Os cientistas propuseram que a adição de APC entre QDs e MoSe2 cria um efeito de transferência de energia "semelhante a um funil" devido à forma como o APC se orienta preferencialmente em relação ao MoSe 2 .
"Acreditamos que este estudo representa uma das primeiras demonstrações de um nanohíbrido biótico-abiótico em cascata envolvendo um semicondutor de metal de transição 2-D, "disse Li." Em um estudo subsequente, vamos trabalhar com teóricos para compreender mais profundamente o mecanismo subjacente a esta transferência de energia aprimorada e identificar suas aplicações na captação de energia e bioeletrônica. "
