I ricercatori dell'Università di Basilea hanno raggiunto un'importante pietra miliare nella loro ricerca di produrre materiali luminescenti e catalizzatori più sostenibili per convertire la luce solare in altre forme di energia. Basato sul manganese metallico a buon mercato, hanno sviluppato una nuova classe di composti con proprietà promettenti che fino ad ora sono stati trovati principalmente nei composti di metalli nobili.

Schermi per smartphone e catalizzatori per la fotosintesi artificiale, per produrre combustibili dalla luce solare, per esempio, spesso contengono metalli molto rari. Iridio, ad esempio, che viene utilizzato nei diodi organici a emissione di luce (OLED), è più raro dell'oro o del platino. Rutenio, utilizzato nelle celle solari, è anche uno degli elementi stabili più rari. Questi metalli non sono solo molto costosi, in virtù della loro scarsità, ma anche tossico in molti composti.

Ora, un team guidato dal professor Oliver Wenger e dal suo studente di dottorato Patrick Herr dell'Università di Basilea è riuscito per la prima volta a produrre complessi di manganese luminescenti in cui l'esposizione alla luce provoca le stesse reazioni dei composti di rutenio o iridio. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Chimica della natura . Il vantaggio dell'utilizzo del manganese è che l'elemento è 900, 000 volte più abbondante nella crosta terrestre dell'iridio, oltre ad essere significativamente meno tossico e molte volte più economico.

Fotochimica rapida

Attualmente, i nuovi complessi di manganese si comportano peggio dei composti di iridio in termini di efficienza luminosa. Però, le reazioni guidate dalla luce necessarie per la fotosintesi artificiale, come le reazioni di trasferimento di energia ed elettroni, avvengono ad alta velocità. Ciò è dovuto alla particolare struttura dei nuovi complessi, che porta ad un immediato trasferimento di carica dal manganese verso i suoi partner di legame diretto su eccitazione con la luce. Questo principio di progettazione per i complessi è già utilizzato in alcuni tipi di celle solari, anche se fino ad ora ha caratterizzato principalmente composti di metalli nobili, e talvolta complessi a base del metallo meno nobile rame.

Prevenzione delle vibrazioni indesiderate

L'assorbimento dell'energia luminosa normalmente provoca una maggiore distorsione nei complessi costituiti da metalli economici rispetto ai composti di metalli nobili. Di conseguenza, i complessi iniziano a vibrare e gran parte dell'energia luminosa assorbita viene persa. I ricercatori sono stati in grado di sopprimere queste distorsioni e vibrazioni incorporando componenti molecolari su misura nei complessi per forzare il manganese in un ambiente rigido. Questo principio di progettazione aumenta anche la stabilità dei composti risultanti e la loro resistenza ai processi di decomposizione.

Fino ad ora, nessuno è riuscito a creare complessi molecolari con manganese che possano brillare in soluzione a temperatura ambiente e che abbiano queste speciali proprietà di reazione, dice Wenger. "Patrick Herr e i postdoc coinvolti hanno davvero fatto un passo avanti in questo senso, uno che apre nuove opportunità oltre il campo dei metalli nobili". Nei futuri progetti di ricerca, Wenger e il suo gruppo vogliono migliorare le proprietà luminescenti dei nuovi complessi di manganese e ancorarli su materiali semiconduttori adatti per l'uso nelle celle solari. Altri possibili perfezionamenti includono varianti idrosolubili dei complessi di manganese che potrebbero essere potenzialmente utilizzati al posto dei composti di rutenio o iridio nella terapia fotodinamica utilizzata per trattare il cancro.