Quando a luz incide sobre um material, como uma folha verde ou a retina, certas moléculas transportam energia e carga. Em última análise, isso leva à separação das cargas e à geração de eletricidade. Funis moleculares, as chamadas interseções cônicas, garantir que este transporte seja altamente eficiente e direcionado.

Uma equipe internacional de físicos observou agora que essas interseções cônicas também garantem um transporte de energia direcionado entre as moléculas vizinhas de um nanomaterial. Simulações teóricas confirmaram os resultados experimentais. Até agora, os cientistas observaram esse fenômeno apenas dentro de uma molécula. A longo prazo, os resultados podem ajudar a desenvolver nanomateriais mais eficientes para células solares orgânicas, por exemplo. O estudo, liderado por Antonietta De Sio, Universidade de Oldenburg, e Thomas Frauenheim, Universidade de Bremen, Alemanha, foi publicado na atual edição da revista científica Nature Nanotechnology .

Os processos fotoquímicos desempenham um papel importante na natureza e na tecnologia:quando as moléculas absorvem luz, seus elétrons transitam para um estado excitado. Essa transição desencadeia processos de comutação molecular extremamente rápidos. No olho humano, por exemplo, a molécula rodopsina gira de uma certa maneira depois de absorver a luz e, assim, em última análise, dispara um sinal elétrico - a etapa mais elementar do processo visual.

Primeira evidência experimental de interseções cônicas entre moléculas

A razão para isso é uma propriedade especial das moléculas de rodopsina, explica Christoph Lienau, professor de nano-óptica ultrarrápida da Universidade de Oldenburg e co-autor do estudo:"O processo de rotação sempre ocorre de maneira semelhante, embora do ponto de vista da mecânica quântica haja muitas possibilidades diferentes para o movimento molecular. "

Isso se deve ao fato de que a molécula tem que afunilar através de uma interseção cônica durante o processo de rotação, como um estudo de 2010 demonstrou experimentalmente em pigmento visual:"Este mecanismo mecânico quântico funciona como uma via de mão única na molécula:ele canaliza a energia em uma determinada direção com uma probabilidade muito alta, "explica Lienau.

A equipe de pesquisa liderada por Antonietta De Sio, cientista sênior do grupo de pesquisa Ultrafast Nano-optics da Universidade de Oldenburg, e Thomas Frauenheim, professor de Ciência de Materiais Computacionais da Universidade de Bremen, já observou essa via de mão única para elétrons em um nanomaterial. O material foi sintetizado por colegas da Universidade de Ulm, Alemanha, e já é usado em dispositivos de células solares orgânicas eficientes.

"O que torna nossos resultados especiais é que demonstramos experimentalmente intersecções cônicas entre moléculas vizinhas pela primeira vez, "explica De Sio. Até agora, físicos de todo o mundo apenas observaram o fenômeno da mecânica quântica dentro de uma única molécula e apenas especularam que também poderia haver interseções cônicas entre moléculas próximas umas das outras.

Cálculos teóricos suportam dados experimentais

A equipe de De Sio descobriu essa via de mão única para os elétrons usando métodos de espectroscopia a laser ultrarrápida:os cientistas irradiam o material com pulsos de laser de apenas alguns femtossegundos de duração. Um femtossegundo é um milionésimo de um bilionésimo de um segundo. O método permite que os pesquisadores gravem uma espécie de filme dos processos que ocorrem logo após a luz atingir o material. O grupo pôde observar como os elétrons e os núcleos atômicos se moviam na interseção cônica.

Os pesquisadores descobriram que um acoplamento particularmente forte entre os elétrons e vibrações nucleares específicas ajuda a transferir energia de uma molécula para outra como se estivesse em uma rua de mão única. Isso é exatamente o que acontece nas interseções cônicas. “No material que estudamos, levou apenas cerca de 40 femtossegundos entre a primeira excitação óptica e a passagem pela intersecção cônica, "diz De Sio.

A fim de confirmar suas observações experimentais, os pesquisadores de Oldenburg e Bremen também colaboraram com físicos teóricos do Laboratório Nacional de Los Alamos, Novo México, NÓS., e CNR-Nano, Modena, Itália. "Com seus cálculos, eles mostraram claramente que interpretamos nossos dados experimentais corretamente, "explica De Sio.

Os pesquisadores de Oldenburg ainda não são capazes de estimar em detalhes o efeito exato dessas ruas de mão única da mecânica quântica em futuras aplicações de nanoestruturas moleculares. Contudo, a longo prazo, as novas descobertas podem ajudar a projetar novos nanomateriais para células solares orgânicas ou dispositivos optoeletrônicos com maior eficiência, ou para desenvolver olhos artificiais a partir de nanoestruturas.