Os fotossensibilizadores são moléculas que absorvem a luz do sol e passam essa energia adiante para gerar eletricidade ou conduzir reações químicas. Eles geralmente são baseados em raras, metais caros; então, a descoberta de que carbenos de ferro, com ferro simples em seus núcleos, posso fazer isso, também, desencadeou uma onda de pesquisas nos últimos anos. Mas enquanto carbenos de ferro cada vez mais eficientes estão sendo descobertos, os cientistas precisam entender exatamente como essas moléculas funcionam em um nível atômico, a fim de projetá-las para um desempenho superior.

Agora, os pesquisadores usaram um laser de raios-X no Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia para observar o que acontece quando a luz atinge um carbeno de ferro. Eles descobriram que ele pode responder de duas maneiras concorrentes, apenas um deles permite que os elétrons fluam para os dispositivos ou reações onde são necessários. Nesse caso, a molécula percorreu o caminho de produção de energia cerca de 60% das vezes. A equipe publicou seus resultados em 31 de janeiro em Nature Communications .

Em uma célula solar, um carbeno de ferro se fixa ao filme semicondutor na superfície da célula com seu átomo de ferro projetando-se para cima. A luz solar atinge o átomo de ferro e libera elétrons, que fluem para os acessórios carbenos. Se eles permanecerem nesses acessórios por tempo suficiente - 10 trilionésimos de segundo ou mais -, eles podem se mover para a célula solar e aumentar sua eficiência. Na quimica, o aumento de energia que os fotossensibilizadores fornecem ajuda a impulsionar reações químicas, mas requer tempos de residência ainda mais longos para os elétrons nos anexos de carbeno.

Para definir como isso funciona, uma equipe internacional liderada por pesquisadores do Stanford PULSE Institute no SLAC examinou amostras de carbeno de ferro com pulsos de laser de raios-X da Linac Coherent Light Source (LCLS) do laboratório. Eles mediram simultaneamente dois sinais separados que revelam como os núcleos atômicos da molécula se movem e como seus elétrons entram e saem das ligações ferro-carbeno.

Os resultados mostraram que os elétrons eram armazenados nos anexos carbenos por tempo suficiente para realizar um trabalho útil em cerca de 60% do tempo; o resto do tempo eles voltaram ao átomo de ferro muito cedo, não realizando nada.

Kelly Gaffney do PULSE disse que o objetivo de longo prazo desta pesquisa é chegar perto de 100 por cento dos elétrons para permanecer nos carbenos por muito mais tempo, então a energia da luz pode ser usada para conduzir reações químicas. Fazer isso, os cientistas precisam encontrar princípios de design para adaptar as moléculas de carbeno de ferro para realizar trabalhos específicos com a máxima eficiência.