Traendo ispirazione dalla fotosintesi, I ricercatori KAUST hanno sviluppato una nuova interpretazione delle strutture metalliche organiche (MOF) che potrebbero aiutare le celle solari a raccogliere più energia dal sole.

Un MOF è un tipo di cristallo poroso costituito da un reticolo di nodi a base di metallo collegati da molecole di collegamento a base di carbonio. I MOF sono materiali particolarmente versatili perché i ricercatori possono facilmente progettare e mettere a punto le loro proprietà modificando i linker oi nodi. I MOF sono già allo studio come catalizzatori e per l'uso in applicazioni, come la separazione del gas, rilevamento e memorizzazione.

Un nuovo MOF sviluppato presso KAUST imita una fase cruciale del trasferimento di energia nella fotosintesi, il processo naturale che le piante utilizzano per raccogliere la luce e convertirla in energia chimica.

I cristalli MOF giallo pallido contengono cluster a base di zirconio 12 coordinati e due diversi linker organici:una molecola di benzimidazolo nota come BI, e un tiadiazolo chiamato TD. I due linker sono stati progettati non solo per avere dimensioni e forma simili, ma soprattutto possedere una sovrapposizione spettrale molto forte, una caratteristica chiave per processi efficienti di trasferimento di energia.

I ricercatori hanno irradiato luce ultravioletta con una lunghezza d'onda di 315 nanometri al MOF. Hanno scoperto che il suo linker BI ha assorbito la luce e poi emesso rapidamente l'energia a una lunghezza d'onda maggiore di 430 nanometri, corrispondente alla luce blu. Il linker TD ha assorbito in modo efficiente questa luce blu, e ha riemesso l'energia come luce verde con una lunghezza d'onda di 530 nanometri.

I ricercatori hanno monitorato il processo di trasferimento di energia utilizzando una tecnica chiamata conteggio di singoli fotoni correlato al tempo, che può monitorare l'emissione di luce in tempi incredibilmente brevi. Ciò ha rivelato che il processo di trasferimento di energia tra i due linker ha richiesto circa 100 picosecondi, o centotrilionesimi di secondo. "È difficile progettare e sintetizzare un tale sistema di raccolta della luce e osservare questo rapido fenomeno di trasferimento di energia, ", afferma il membro del team Jiangtao Jia del Centro di membrane avanzate e materiali porosi di KAUST.

"Ma grazie alla solida infrastruttura di ricerca di KAUST, abbiamo una delle migliori strutture al mondo per determinare la durata della fotoluminescenza alla scala temporale del picosecondo, " aggiunge il membro del team Luis Gutieŕrez-Arzaluz.

Ciò ha permesso al team di accertare che il processo di trasferimento di energia aveva un'efficienza di oltre il 90%, rendendolo uno dei MOF di trasferimento di energia più efficienti fino ad oggi. "Nel futuro, questo controllo deliberato a livello molecolare potrebbe aprire la strada alla progettazione di sistemi di fotosintesi artificiale altamente efficienti basati su materiali MOF, "dice Gia.