Para combinar eficientemente dois fótons de baixa energia em um fóton de alta energia, a energia deve ser capaz de saltar livremente, mas não muito rapidamente, entre moléculas de um sólido orientadas aleatoriamente. Esta descoberta da Universidade de Kobe fornece uma diretriz de design muito necessária para o desenvolvimento de materiais para células fotovoltaicas, monitores ou até mesmo terapias anticâncer mais eficientes.



Luzes de cores diferentes têm energias diferentes e, portanto, são úteis para coisas muito diferentes. Para o desenvolvimento de células fotovoltaicas, displays OLED ou terapias anticâncer mais eficientes, é desejável ser capaz de transformar dois fótons de baixa energia em um fóton de alta energia, e muitos pesquisadores em todo o mundo estão trabalhando em materiais para isso. conversão.

Durante esse processo, a luz é absorvida pelo material e sua energia é distribuída entre as moléculas do material como um chamado "exciton triplo". No entanto, não estava claro o que permite que dois excitons triplos combinem eficientemente suas energias em um estado excitado diferente de uma única molécula que então emite um fóton de alta energia, e essa lacuna de conhecimento tem sido um sério gargalo no desenvolvimento de tais materiais.

O fotocientista da Universidade de Kobe, Kobori Yasuhiro, e seu grupo de pesquisa têm trabalhado em uma propriedade chamada "estados de spin do elétron" de estados excitados em movimento e interação. Eles perceberam que seu conhecimento era exatamente o que era necessário para resolver o problema da conversão ascendente e aplicaram-no a um material especialmente adequado para sua análise.

Yasuhiro explica:"Em sistemas de solução, é difícil observar as propriedades magnéticas dos spins do elétron devido à rotação em alta velocidade das moléculas, e em sistemas convencionais de estado sólido, a eficiência da reação é muito baixa para estudos de ressonância do spin do elétron . O material de estado sólido de película fina usado em nosso estudo, no entanto, foi adequado para observar as propriedades magnéticas dos spins dos elétrons e gerar concentrações suficientes de excitons triplos.

Seus resultados, agora publicados no The Journal of Physical Chemistry Letters , mostram que para a transferência de energias para uma molécula emissora de luz, os estados de spin do elétron de dois excitons triplos devem estar alinhados, o que depende da orientação relativa das moléculas participantes.

Para que isso aconteça com alta probabilidade, porém, os excitons triplos precisam ser capazes de se mover entre moléculas de muitas orientações diferentes. Além disso, esse salto não deve ser muito rápido, para que haja tempo suficiente para a interconversão dos diferentes estados excitados.

Yasuhiro explica:"Primeiro observamos diretamente a evolução temporal do estado de spin do elétron dentro de materiais de conversão ascendente em sistemas de estado sólido, depois modelamos o movimento de spin do elétron observado e, finalmente, propusemos um novo modelo teórico de como o estado de spin do elétron se relaciona com o processo de conversão ascendente."

Esses resultados finalmente fornecem uma diretriz sobre como projetar materiais de conversão ascendente de fótons altamente eficientes, baseados no conhecimento do mecanismo microscópico do processo.

"Espero que este conhecimento contribua para o desenvolvimento de células solares de alta eficiência para aliviar nossos problemas energéticos, mas também para se expandir para uma ampla gama de campos, como terapia fotodinâmica do câncer e diagnósticos que utilizam luz infravermelha próxima para conversão óptica. sem prejudicar o corpo humano", diz Yasuhiro.

Mais informações: Kobori Yasuhiro et al, Efficient Spin Interconversion by Molecular Conformation Dynamics of a Triplet Pair for Photon Up-Conversion in an Amorphous Solid, The Journal of Physical Chemistry Letters (2024). DOI:10.1021/acs.jpclett.3c03602
Informações do diário: Jornal de Cartas de Físico-Química

Fornecido pela Universidade de Kobe