Come illustrato nell'illustrazione sopra, la nanostruttura ibrida contiene diseleniuro di molibdeno (MoSe2) come base, core-shell seleniuro di cadmio (CdSe)–solfuro di zinco (ZnS) quantum dots (QDs) sul lato esterno, e la proteina alloficocianina (APC) inserita tra i QD e il MoSe2. Quando il sistema è eccitato dalla luce (simbolo del fulmine blu), l'energia viene trasferita in modo graduale attraverso i diversi componenti, come indicato dalle frecce grigie. A destra è mostrata una vista dall'alto della struttura della proteina APC. Credito:Brookhaven National Laboratory
Per assorbire la luce solare in arrivo, le piante e alcuni tipi di batteri si affidano a un complesso proteico che raccoglie la luce contenente molecole chiamate cromofori. Questo complesso convoglia l'energia solare al centro di reazione fotosintetica, dove viene convertita in energia chimica per i processi metabolici.
Ispirato da questa architettura trovata nella natura, scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e della Stony Brook University (SBU) hanno assemblato una struttura nanoibrida che contiene sia materiali di origine biologica (biotici) che inorganici (abiotici). Hanno combinato una proteina di raccolta della luce da un cianobatteri, nanocristalli semiconduttori (punti quantici), e un metallo di transizione semiconduttore bidimensionale (2-D) dello spessore di un solo strato atomico. Descritto in un articolo pubblicato il 29 aprile in Fotonica ACS —un giornale dell'American Chemical Society (ACS)—questa nanostruttura potrebbe essere utilizzata per migliorare l'efficienza con cui le celle solari raccolgono energia dal sole.
"I migliori pannelli solari di oggi possono convertire quasi il 23% della luce solare che assorbono in elettricità, ma in media, la loro efficienza varia tra il 15 e il 18 percento, " ha detto l'autore corrispondente Mircea Cotlet, uno scienziato dei materiali nel Soft and Bio Nanomaterials Group presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN) del Brookhaven Lab, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. "Se questa efficienza può essere aumentata, si può generare più elettricità. Il nanoibrido biotico-abiotico assemblato mostra una migliore raccolta di luce e generazione di portatori di carica elettrica rispetto alla struttura di soli semiconduttori 2-D. Queste proprietà aumentano la risposta del nanoibrido alla luce quando la struttura è incorporata in un transistor ad effetto di campo (FET), una specie di dispositivo optoelettronico."
Nella progettazione del nanoibrido, gli scienziati hanno scelto il diseleniuro di molibdeno 2-D atomicamente sottile (MoSe 2 ) come piattaforma per il montaggio dal basso verso l'alto. Il diseleniuro di molibdeno è un semiconduttore, oppure un materiale la cui conduttività elettrica è intermedia tra quella di un conduttore normale (poca resistenza al flusso di corrente elettrica) e isolante (alta resistenza). Hanno combinato MoSe 2 con due potenti nanomateriali che raccolgono la luce:punti quantici (QD) e la proteina alloficocianina (APC) dei cianobatteri.
Mingxing Li (seduto) e Mircea Cotlet (a sinistra) del Center for Functional Nanomaterials del Brookhaven Lab e Jia-Shiang Chen del dipartimento di scienza dei materiali e ingegneria chimica della Stony Brook University hanno utilizzato una tecnica di autoassemblaggio basata sulle interazioni tra particelle caricate elettricamente (cariche opposte attraggono; come le cariche si respingono) per creare una struttura "nanoibrida" che contenga sia materiali derivati biologicamente che non viventi. Rispetto alle controparti non ibride, il nanoibrido mostra una maggiore efficienza di trasferimento di energia e fotoresponsività, o risposta alla luce:caratteristiche ideali per le applicazioni delle celle solari. Credito:Brookhaven National Laboratory
Gli scienziati hanno scelto i componenti in base alle loro proprietà di raccolta della luce e hanno ingegnerizzato i band gap dei componenti (energia minima richiesta per eccitare un elettrone per partecipare alla conduzione) in modo tale che un trasferimento di energia graduale e concertato possa essere promosso attraverso il nanoibrido in modo direzionale. Nell'ibrido, l'energia fluisce dai QD eccitati dalla luce alla proteina APC e quindi al MoSe 2 . Questo trasferimento di energia imita i sistemi naturali di raccolta della luce in cui i cromofori superficiali (in questo caso, QD) assorbono la luce e dirigono l'energia raccolta verso i cromofori intermedi (qui, APC) e infine al centro di reazione (qui, MoSe 2 ).
Per combinare i diversi componenti, gli scienziati hanno applicato l'autoassemblaggio elettrostatico, una tecnica basata sulle interazioni tra particelle caricate elettricamente (cariche opposte si attraggono; cariche simili si respingono). Hanno quindi utilizzato un microscopio ottico specializzato per sondare il trasferimento di energia attraverso i nanoibridi. Queste misurazioni hanno rivelato che l'aggiunta dello strato proteico APC aumenta l'efficienza del trasferimento di energia del nanoibrido con MoSe2 a strato singolo del 30%. Hanno anche misurato la fotorisposta del nanoibrido incorporato in un FET fabbricato e hanno scoperto che mostrava la più alta reattività rispetto ai FET contenenti solo uno dei componenti, producendo più del doppio della quantità di fotocorrente in risposta alla luce in ingresso.
"Più luce viene trasferita al MoSe 2 nell'ibrido biotico-abiotico, " ha detto il primo autore e ricercatore associato Mingxing Li, che sta lavorando con Cotlet nel gruppo CFN Soft e Bio Nanomaterials. "Aumento del trasferimento di luce combinato con la mobilità dei portatori di carica elevata in MoSe 2 significa che più vettori saranno raccolti dagli elettrodi in un dispositivo a celle solari. Questa combinazione è promettente per aumentare l'efficienza del dispositivo".
Gli scienziati hanno proposto che l'aggiunta di APC tra QD e MoSe2 crei un effetto di trasferimento di energia "simile a un imbuto" a causa del modo in cui l'APC si orienta preferenzialmente rispetto al MoSe 2 .
"Riteniamo che questo studio rappresenti una delle prime dimostrazioni di un nanoibrido biotico-abiotico in cascata che coinvolge un semiconduttore in metallo di transizione 2-D, " ha detto Li. "In uno studio successivo, lavoreremo con i teorici per comprendere più a fondo il meccanismo alla base di questo trasferimento di energia potenziato e identificare le sue applicazioni nella raccolta di energia e nella bioelettronica".
