Nella torsione e nella rotazione di lunghe molecole organiche, I ricercatori del National Renewable Energy Laboratory (NREL) hanno trovato un promettente gruppo di materiali per le celle solari super efficienti di domani.

In un nuovo articolo su Nature Chemistry, I ricercatori del NREL hanno dimostrato come una molecola accuratamente progettata può dividere in modo efficiente l'energia impartita da un fotone in due stati eccitati e mantenerli separati per diversi microsecondi, molto tempo su scala molecolare. I tre autori—Nadia Korovina, Chris Chang, e Justin Johnson, hanno attinto alle loro diverse competenze in chimica e modellazione al computer per progettare questa nuova molecola e imparare come funziona.

Quando un fotone colpisce un materiale semiconduttore appropriato, crea un eccitone, uno stato energetico eccitato. In alcune molecole organiche, l'eccitone può dividersi, formando due triplette di eccitoni. Questo processo di "fissione singoletto" potrebbe essere potenzialmente utilizzato per estrarre più energia da ciascun fotone assorbito rispetto a una cella solare tradizionale. Però, se queste due terzine si incontrano, si ricominceranno e cesseranno di esistere. Inoltre, il processo mediante il quale una canottiera si divide in due triplette stabili può spesso perdere energia a causa del calore.

Una molecola fotovoltaica organica ideale affronterebbe entrambi questi problemi, il che significa che converte in modo efficiente gli eccitoni singoletti in triplette senza perdita di calore e mantiene queste triplette separate in modo che non possano ricombinarsi. Piuttosto che cercare una tale molecola, il team NREL ha deciso di progettarne uno proprio. Basandosi su ricerche precedenti, il team sapeva in generale quali tipi di molecole organiche sembravano promettenti. Ma avevano bisogno di determinare esattamente quanto lunghe e complesse dovrebbero essere queste molecole per prevenire la ricombinazione di triplette.

Con questo obiettivo in mente, Korovina ha sintetizzato una serie di molecole di lunghezza variabile, tutto costruito con catene di cromofori, blocchi molecolari che assorbono la luce.

"La parte più difficile è stata la progettazione di molecole in cui è stato raggiunto il sottile equilibrio delle energie singoletto e tripletta, " ha detto Korovina. "Dopo circa un anno di tentativi ed errori, avevamo le molecole giuste da cui siamo stati in grado di apprendere le complessità del processo di fissione singoletto".

Dopo aver accuratamente selezionato queste molecole per dimensione, il team ha scoperto che è necessaria una catena di almeno tre cromofori per isolare con successo due eccitoni tripletti.

Per capire esattamente come la catena di cromofori stava isolando le due triplette, Johnson e Korovina si sono rivolti a Chang, uno scienziato computazionale con un background in biochimica. "Vedo la modellazione come un aiuto per rispondere a due grandi domande, " Chang ha detto. "Come funziona sulla base di principi di base? E che aspetto ha quando lo fa?"

Creando e poi perfezionando un modello di come le molecole si muovono e interagiscono, il team ha scoperto che un movimento di torsione conferisce alle molecole le caratteristiche necessarie per isolare le triplette. La catena molecolare è solitamente floscia e flessibile quando non è illuminata; ma quando assorbe un fotone, la catena si attorciglia attorno al suo asse centrale e inizialmente si irrigidisce, risultando in una forma che facilita la formazione di due terzine. La successiva torsione che si verifica al termine del processo iniziale aiuta a separare spazialmente le due terzine, allungandone la durata.

Combinando approcci sperimentali e modellistici, il team non solo è stato in grado di sviluppare una promettente molecola che assorbe l'energia, ma anche per spiegarne dettagliatamente la funzione. Ora che il meccanismo fondamentale è ben compreso, lo sviluppo futuro e l'uso di molecole simili in celle solari ad alta efficienza o altri sistemi fotoelettrochimici dovrebbero essere più facili.

"Nuove scoperte come questa sono possibili senza incrociare discipline, "Johnson ha detto, "ma combinare le competenze come abbiamo fatto noi può produrre un impatto molto maggiore".