"Quello che vediamo qui è un trasferimento di energia che è molto più veloce che in qualsiasi semiconduttore, " dice Jakob Heier. Il fisico lavora nel laboratorio Functional Polymers di Empa, e la scoperta che ha fatto con il suo team potrebbe suscitare scalpore in molti settori, come la tecnologia dei sensori, trasmissione ottica dei dati o la fabbricazione di celle solari organiche. Si tratta di isole di molecole coloranti con un perfetto, struttura interna. Tra gli esperti, tali strutture sono chiamate J-aggregati. Sebbene siano noti da più di 80 anni, hanno recentemente attirato una rinnovata attenzione nella ricerca. Ciò è dovuto alla speciale vita interna elettronica di queste isole coloranti.

Per capire cosa hanno scoperto Heier e i suoi colleghi, è utile una breve escursione nel mondo dei coloranti:se un colorante deve brillare, la molecola deve prima essere attivata con la luce. Sbiancanti ottici nei detersivi, Per esempio, assorbono la luce UV ed emettono luce bluastra (visibile), motivo per cui gli indumenti bianchi brillano così intensamente alla luce UV di un club. La luce emessa ha un'energia inferiore rispetto alla luce utilizzata per attivare il colorante, perché parte dell'energia viene convertita in vibrazioni, cioè calore, nella molecola del colorante.

Molecole come antenne energetiche

I J-aggregati studiati da Heier e Empa Ph.D. lo studente Surendra Anantharaman si comporta in modo diverso dalle singole molecole di colorante. In queste isole molecolari, le molecole di colorante sono ben ordinate e molto vicine tra loro, proprio come i fiammiferi in una scatola. In questa costellazione, la molecola del colorante non "deve" brillare, ma "può" trasmettere la sua energia a una molecola vicina.

Rispetto ai classici semiconduttori in silicio, c'è una differenza cruciale, però:in un semiconduttore di silicio, come una cella solare, l'energia di eccitazione viene trasportata tramite portatori di carica, per esempio elettroni, che "salta" attraverso il materiale, per così dire. In J-aggregati, d'altra parte, gli elettroni oscillano solo avanti e indietro nella molecola del colorante e non la lasciano mai. Al posto degli elettroni, vengono trasmesse solo oscillazioni, simili alle antenne trasmittenti e riceventi nel mondo macroscopico. Infatti, Gli aggregati J possono "trasmettere" energia su scala più piccola, estremamente veloce e attraverso centinaia di molecole.

Perdite elevate per 80 anni

Il fenomeno degli aggregati J e della loro speciale trasmissione di energia fu scoperto per la prima volta nel 1936 da Edwin E. Jelley negli Stati Uniti e da Günter Scheibe in Germania. Ma fino ad ora, circa il 95% dell'energia irradiata è andata persa e non poteva essere trasmessa. La colpa era degli "errori di costruzione" nel sistema. In realtà, le molecole non erano così perfettamente allineate. E ogni volta che l'impulso di energia incontra uno di questi difetti durante il suo viaggio attraverso l'aggregato J, il trasporto di energia è stato interrotto. Una normale vibrazione molecolare ha interrotto il trasferimento, si è generato un po' di calore, e il gioco era finito.

La foresta di antenne perfetta

La squadra dell'Empa, supportato da ricercatori dell'ETH di Zurigo, EPF Losanna, PSI e IBM Research Zurigo, è ora riuscita a sviluppare un sistema di tintura, in cui viene riemessa fino al 60 percento della luce in entrata. Ciò significa anche che fino al 60% dell'energia può essere trasmessa senza perdite, rispetto al precedente 5%, questa è una sensazione. La chiave del successo erano isole di tintura perfettamente costruite che erano state create in una sottile emulsione di acqua ed esilammina. Un'emulsione è una miscela di goccioline liquide in un altro liquido:il latte o la maionese sono emulsioni che tutti conoscono.

I ricercatori dell'Empa hanno osservato che non una qualsiasi emulsione avrebbe fatto il lavoro:doveva essere una cosiddetta emulsione bicontinua, il che significa che le goccioline sospese nel liquido esterno non devono essere distanti tra loro, ma devono essersi combinati per formare strutture simili a strisce. Solo allora il colorante in esame forma gli aggregati J privi di difetti desiderati e può "inviare" l'energia assorbita su lunghe distanze senza perdite. Così, le molecole di colorante si allineano in un'emulsione bicontinua, simile ai fiammiferi in una scatola. Solo allora la trasmissione del segnale riesce.

I fallimenti fanno parte del gioco

Lo studio ora pubblicato cita anche, nella buona tradizione scientifica, i tentativi falliti e la storia dell'esperimento riuscito. Dopotutto, chimici e fisici di tutto il mondo dovrebbero poter sfruttare l'esperienza del team Empa. Per esempio, non è stato possibile cristallizzare il colorante sotto forma di film sottili su una superficie solida. Troppi difetti nei cristalli hanno rovinato il trasferimento. Soluzione acquosa, in cui il colorante si aggrega in minuscole goccioline, allo stesso modo non funzionano. Solo le emulsioni bicontinue portano alla trasmissione del segnale - e solo se ci sono singole molecole di colorante lasciate in una fase liquida che possono riempire i buchi e chiudere gli spazi negli aggregati J - in altre parole, che può riparare i difetti.

I ricercatori hanno sicuramente ancora molta strada da fare prima che ciò che hanno ottenuto in un'emulsione possa essere reso tecnicamente utile. Ma la trasmissione del segnale attraverso i coloranti potrebbe penetrare in molte aree della vita quotidiana. Per esempio, è possibile catturare la debole luce infrarossa con l'aiuto di questi coloranti e convertirla in segnali digitali con l'aiuto di punti quantici, un vantaggio per la tecnologia dei sensori e le celle solari, che dovrebbero fornire elettricità anche in condizioni di luce molto debole. A causa delle loro proprietà uniche, Gli aggregati J si prestano anche ad applicazioni in computer quantistici e trasmissione di dati ottici.

Finalmente, gli aggregati di coloranti che conducono il segnale potrebbero diventare utili nella diagnostica nei tessuti viventi:luce infrarossa, o radiazione termica, penetra in profondità nei tessuti umani senza danneggiare le cellule. I J-aggregati potrebbero rendere visibile questa radiazione e digitalizzarla. Ciò potrebbe facilitare e migliorare notevolmente l'imaging al microscopio ad alta risoluzione del tessuto vivente.