I fotosensibilizzanti sono molecole che assorbono la luce solare e trasmettono quell'energia per generare elettricità o guidare reazioni chimiche. Sono generalmente basati su rari, metalli costosi; così la scoperta che i carbeni di ferro, con il semplice ferro vecchio al centro, può farlo, pure, ha innescato un'ondata di ricerche negli ultimi anni. Ma mentre vengono scoperti carbeni di ferro sempre più efficienti, gli scienziati devono capire esattamente come funzionano queste molecole a livello atomico per ingegnerizzarle per ottenere le massime prestazioni.

Ora i ricercatori hanno utilizzato un laser a raggi X presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia per osservare cosa succede quando la luce colpisce un carbene di ferro. Hanno scoperto che può rispondere in due modi in competizione, solo uno dei quali consente agli elettroni di fluire nei dispositivi o nelle reazioni dove sono necessari. In questo caso, la molecola ha seguito il percorso di produzione di energia circa il 60% delle volte. Il team ha pubblicato i risultati il ​​31 gennaio in Comunicazioni sulla natura .

In una cella solare, un carbene di ferro si attacca al film semiconduttore sulla superficie della cellula con il suo atomo di ferro che sporge. La luce del sole colpisce l'atomo di ferro e libera elettroni, che confluiscono negli attacchi del carbene. Se rimangono su quegli attacchi abbastanza a lungo - 10 trilionesimi di secondo o più - possono quindi spostarsi nella cella solare e aumentarne l'efficienza. In chimica, la spinta energetica fornita dai fotosensibilizzanti aiuta a guidare le reazioni chimiche, ma richiede tempi di residenza ancora più lunghi per gli elettroni sugli attacchi del carbene.

Per capire come funziona, un team internazionale guidato da ricercatori dello Stanford PULSE Institute presso SLAC ha esaminato campioni di carbene di ferro con impulsi laser a raggi X dalla Linac Coherent Light Source (LCLS) del laboratorio. Hanno misurato simultaneamente due segnali separati che rivelano come si muovono i nuclei atomici della molecola e come i suoi elettroni viaggiano dentro e fuori i legami ferro-carbene.

I risultati hanno mostrato che gli elettroni sono stati immagazzinati negli allegati del carbene abbastanza a lungo da svolgere un lavoro utile circa il 60% delle volte; il resto del tempo tornarono all'atomo di ferro troppo presto, realizzare nulla.

Kelly Gaffney di PULSE ha affermato che l'obiettivo a lungo termine di questa ricerca è avvicinarsi al 100% degli elettroni per rimanere sui carbeni molto più a lungo, quindi l'energia della luce può essere utilizzata per guidare le reazioni chimiche. Fare quello, gli scienziati devono trovare principi di progettazione per adattare le molecole di carbene di ferro per svolgere lavori particolari con la massima efficienza.