In un mondo di crescente fabbisogno energetico, e un imperativo globale per fermare le emissioni di carbonio, una minuscola "quasiparticella" chiamata eccitone potrebbe fornire la risposta ai nostri problemi.

Gli eccitoni si formano quando la luce viene assorbita da molecole o cristalli. Ma possono anche emettere luce, dopo che sono stati creati elettricamente in cose come i diodi a emissione di luce (LED).

Anche se stiamo appena iniziando a capire il loro potenziale, gli eccitoni potrebbero aiutarci a sfruttare l'energia solare in modo più efficiente, e ridurre drasticamente il costo energetico e ambientale dell'illuminazione.

Per nome e per natura, è davvero emozionante.

Il Center of Excellence in Exciton Science è un nuovo centro di ricerca dell'Australian Research Council guidato dall'Università di Melbourne, in collaborazione con altre importanti università e organizzazioni di tutta l'Australia. Il team multidisciplinare di chimici, matematici, fisici, gli scienziati e gli ingegneri informatici sono concentrati sulla manipolazione del modo in cui l'energia luminosa viene assorbita, trasportati e trasformati in materiali molecolari avanzati. E vogliono che il loro lavoro alla fine si traduca nella vita di tutti i giorni.

Gli eccitoni non sono nuovi, sono intorno a noi tutto il tempo. La ragione per cui vediamo luce e colore, il motivo per cui i nostri televisori e telefoni si accendono, e la ragione per cui animali come le lucciole possono produrre luce, è a causa degli eccitoni. Ma la novità è che ora comprendiamo e possiamo manipolare gli eccitoni a livello molecolare.

"Siamo interessati a controllare e raccogliere l'energia, ", afferma il direttore del centro, il professor Paul Mulvaney. "Quindi non raccogliamo direttamente la luce, ma raccogliamo gli eccitoni man mano che si formano."

Il professor Ken Ghiggino è un fotochimico e il suo obiettivo è caratterizzare la vita degli eccitoni.

"Eccitoni non durano molto a lungo, "dice il professor Ghiggino.

"Potrebbe provenire da femtosecondi [un quadrilionesimo di secondo], fino a nanosecondi [un millemilionesimo di secondo] - ma puoi misurare quel tempo. Usiamo impulsi di luce molto brevi, e "telecamere" estremamente veloci per creare grafici in scale temporali di femtosecondi. "

Il professor Ghiggino afferma che ogni materiale ha una firma eccitonica unica, che è caratterizzato da come gli elettroni si eccitano, quanto tempo impiega l'energia per essere rilasciata, e cosa succede dopo.

"E adesso, non possiamo prevedere bene il loro comportamento."

La corsa è alla ricerca di nuovi materiali con il perfetto mix di proprietà degli eccitoni. Nuovi materiali sintetici vengono creati in laboratorio da ricercatori come il dottor Wallace Wong della School of Chemistry e il Bio21 Institute dell'Università di Melbourne, chi sta sviluppando alta efficienza, celle solari flessibili. Questi vengono poi inviati al professor Ghiggino per essere caratterizzati.

"Scopriamo che tipo di eccitoni si formano, quanto tempo durano, e come è correlato alla struttura del materiale, "dice il professor Ghiggino.

"Quindi forniamo queste informazioni al dottor Wong e lui cambia la struttura della molecola in base a ciò che abbiamo trovato, e ripetiamo questo ciclo finché non otteniamo le proprietà ottimali."

Ma risparmiare energia, e denaro, fa parte dell'equazione tanto quanto la raccolta di energia.

"Vogliamo sapere come utilizzare meglio la luce del sole, ", afferma il professor Paul Mulvaney.

Come si nasconde l'energia nei colori

"Vogliamo sviluppare nuovi materiali per il fotovoltaico, abbattere il costo dell'energia solare. E vogliamo cercare nuovi modi per utilizzare l'energia solare, in particolare celle solari flessibili, quindi abbiamo più possibilità architetturali per sfruttare queste tecnologie, non solo il modello a tetto rigido."

La tecnologia potrebbe anche contribuire alla riduzione delle nostre emissioni.

"Stiamo anche esaminando le possibilità per i LED di prossima generazione. Al momento, sono difficili da produrre su larga scala, durata e qualità di cui abbiamo bisogno. Ma i LED sono la forma di illuminazione più efficiente che conosciamo e se potessimo convertire tutte le lampadine in Australia in LED, allora probabilmente raggiungeremmo i nostri obiettivi di riduzione delle emissioni, "dice il professor Mulvaney.

Decenni in preparazione

Per il suo progetto di laurea honoris causa, Il professor Mulvaney ha lavorato sulle energie rinnovabili. Stava cercando di utilizzare l'energia solare per produrre idrogeno come combustibile. Ma è diventato molto chiaro, molto rapidamente questa è stata un'area che non poteva essere perseguita perché la nostra comprensione dei materiali non era abbastanza buona.

Vent'anni dopo, e il professor Mulvaney ritiene che sia giunto il momento di rilanciare quest'area di ricerca, grazie ai progressi nel campo dei nuovi materiali, materiali in particolare su scala nanometrica.

"Abbiamo dovuto aspettare che la scienza dei materiali si mettesse al passo, "dice il professor Mulvaney.

"Comprendiamo molto di più i materiali che formano gli eccitoni ora, quindi vogliamo tornare indietro e guardare a quei grandi problemi come l'energia rinnovabile e vedere se tutta quella conoscenza che abbiamo accumulato negli ultimi 20 anni può aiutarci a fare progressi".

Mentre il professor Mulvaney ha molte idee su come sfruttare gli eccitoni, spera che alcuni dei membri più giovani del suo team possano trovare nuove idee che portino la scienza in una direzione completamente nuova.

"Interessante, circa il 50 per cento dei premi Nobel viene assegnato al lavoro svolto dagli scienziati prima dei 35 anni. Quindi, se vogliamo che l'Australia faccia scoperte scientifiche innovative, dobbiamo dare ai giovani le risorse necessarie per raggiungere questi grandi obiettivi da sogno, e dobbiamo dare loro un po' di libertà per farlo, " lui dice.

"Penso che una delle bellezze di questo schema e una cosa che non vedo l'ora, è vedere alcune delle idee stravaganti che vengono provate e, si spera, che alcune si convertano in qualcosa di successo."