Un team di ricercatori dell'Università del Texas ad Austin e dell'Università della California, Riverside ha trovato un modo per produrre un fenomeno a lungo ipotizzato:il trasferimento di energia tra silicio e organico, molecole a base di carbonio, in una svolta che ha implicazioni per l'archiviazione delle informazioni nell'informatica quantistica, conversione dell'energia solare e imaging medico. La ricerca è descritta in un articolo uscito oggi sulla rivista Chimica della natura .

Il silicio è uno dei materiali più abbondanti del pianeta e un componente fondamentale in tutto, dai semiconduttori che alimentano i nostri computer alle celle utilizzate in quasi tutti i pannelli solari. Per tutte le sue capacità, però, il silicio ha alcuni problemi quando si tratta di convertire la luce in elettricità. I diversi colori della luce sono costituiti da fotoni, particelle che trasportano l'energia della luce. Il silicio può convertire in modo efficiente i fotoni rossi in elettricità, ma con fotoni blu, che trasportano il doppio dell'energia dei fotoni rossi, il silicio perde la maggior parte della sua energia sotto forma di calore.

La nuova scoperta fornisce agli scienziati un modo per aumentare l'efficienza del silicio accoppiandolo con un materiale a base di carbonio che converte i fotoni blu in coppie di fotoni rossi che possono essere utilizzati in modo più efficiente dal silicio. Questo materiale ibrido può anche essere modificato per operare al contrario, prendere la luce rossa e convertirla in luce blu, che ha implicazioni per i trattamenti medici e l'informatica quantistica.

"La molecola organica con cui abbiamo accoppiato il silicio è un tipo di cenere di carbonio chiamata antracene. È fondamentalmente fuliggine, " ha detto Sean Roberts, un UT Austin assistente professore di chimica. Il documento descrive un metodo per collegare chimicamente il silicio all'antracene, creando una linea elettrica molecolare che consente il trasferimento di energia tra il silicio e la sostanza simile alla cenere. "Ora possiamo sintonizzare con precisione questo materiale per reagire a diverse lunghezze d'onda della luce. Immagina, per l'informatica quantistica, essere in grado di modificare e ottimizzare un materiale per trasformare un fotone blu in due fotoni rossi o due fotoni rossi in uno blu. È perfetto per l'archiviazione delle informazioni."

Per quattro decenni, gli scienziati hanno ipotizzato che l'abbinamento del silicio con un tipo di materiale organico che assorbe meglio la luce blu e verde in modo efficiente potrebbe essere la chiave per migliorare la capacità del silicio di convertire la luce in elettricità. Ma la semplice sovrapposizione dei due materiali non ha mai prodotto il previsto "trasferimento di eccitoni spin-tripletta, " un particolare tipo di trasferimento di energia dal materiale a base di carbonio al silicio, necessario per realizzare questo obiettivo. Roberts e gli scienziati dei materiali dell'UC Riverside descrivono come sono riusciti a superare l'impasse con minuscoli fili chimici che collegano i nanocristalli di silicio all'antracene, producendo per la prima volta il previsto trasferimento di energia tra di loro.

"La sfida è stata ottenere coppie di elettroni eccitati da questi materiali organici e nel silicio. Non può essere fatto semplicemente depositando uno sopra l'altro, "Ha detto Roberts. "Ci vuole la costruzione di un nuovo tipo di interfaccia chimica tra il silicio e questo materiale per consentire loro di comunicare elettronicamente".

Roberts e la sua studentessa Emily Raulerson hanno misurato l'effetto in una molecola appositamente progettata che si attacca a un nanocristallo di silicio, l'innovazione dei collaboratori Ming Lee Tang, Lorenzo Mangolini e Pan Xia di UC Riverside. Utilizzando un laser ultraveloce, Roberts e Raulerson hanno scoperto che il nuovo filo molecolare tra i due materiali non era solo veloce, resistente ed efficiente, potrebbe effettivamente trasferire circa il 90% dell'energia dal nanocristallo alla molecola.

"Possiamo usare questa chimica per creare materiali che assorbono ed emettono qualsiasi colore di luce, " disse Raulerson, chi lo dice, con un'ulteriore messa a punto, nanocristalli di silicio simili legati a una molecola potrebbero generare una varietà di applicazioni, dagli occhiali per la visione notturna senza batteria alla nuova elettronica in miniatura.

Altri processi altamente efficienti di questo tipo, chiamato fotone up-conversion, precedentemente fatto affidamento su materiali tossici. Poiché il nuovo approccio utilizza esclusivamente materiali non tossici, apre le porte alle applicazioni in medicina umana, bioimmagini e tecnologie ambientalmente sostenibili, qualcosa su cui Roberts e il collega chimico UT Austin Michael Rose stanno lavorando.

All'UC Riverside, Il laboratorio di Tang ha aperto la strada a come attaccare le molecole organiche alle nanoparticelle di silicio, e il gruppo di Mangolini ha ingegnerizzato i nanocristalli di silicio.

"La novità è davvero come far funzionare insieme le due parti di questa struttura, le molecole organiche e i nanocristalli di silicio confinato quantistico, " disse Mangolini, professore associato di ingegneria meccanica. "Siamo il primo gruppo a mettere davvero insieme i due".