(PhysOrg.com) -- In un passo verso la progettazione di dispositivi elettronici sempre più piccoli, gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno assemblato accoppiamenti di particelle su nanoscala che si dimostrano promettenti come fonti di energia miniaturizzate. Composto da assorbimento di luce, punti quantici colloidali legati a nanoparticelle di fullerene a base di carbonio, questi minuscoli sistemi a due particelle possono convertire la luce in elettricità in un modo controllato con precisione.

"Questa è la prima dimostrazione di un ibrido inorganico/organico, materiale dimerico (a due particelle) che agisce come un sistema accettore-ponte donatore di elettroni per convertire la luce in corrente elettrica, " ha detto il chimico fisico di Brookhaven Mircea Cotlet, autore principale di un articolo che descrive i dimeri e il loro metodo di assemblaggio in Angewandte Chemie .

Variando la lunghezza delle molecole di collegamento e la dimensione dei punti quantici, gli scienziati possono controllare la velocità e l'entità delle fluttuazioni nel trasferimento di elettroni indotto dalla luce a livello del singolo dimero. "Questo controllo rende questi dimeri promettenti unità di generazione di energia per l'elettronica molecolare o celle solari fotovoltaiche più efficienti, "disse Colet, che ha condotto questa ricerca con lo scienziato dei materiali Zhihua Xu presso il Center for Functional Nanomaterials di Brookhaven.

Gli scienziati che cercano di sviluppare l'elettronica molecolare sono stati molto interessati ai sistemi organici donatore-ponte-accettore perché hanno un'ampia gamma di meccanismi di trasporto di carica e perché le loro proprietà di trasferimento di carica possono essere controllate variando la loro chimica. Recentemente, punti quantici sono stati combinati con materiali che accettano gli elettroni come coloranti, fullereni, e ossido di titanio per produrre celle solari ibride e sensibilizzate al colorante, nella speranza che le proprietà di assorbimento della luce e di emissione dipendenti dalle dimensioni dei punti quantici aumentino l'efficienza di tali dispositivi. Ma così lontano, i tassi di conversione di potenza di questi sistemi sono rimasti piuttosto bassi.

"Gli sforzi per comprendere i processi coinvolti in modo da progettare sistemi migliorati hanno generalmente esaminato il comportamento medio in strutture miste o strato per strato piuttosto che la risposta dei singoli, architetture ibride donatore-accettore ben controllate, " disse Xu.

Il metodo di fabbricazione di precisione sviluppato dagli scienziati di Brookhaven consente loro di controllare attentamente la dimensione delle particelle e la distanza interparticellare in modo da poter esplorare le condizioni per il trasferimento di elettroni indotto dalla luce tra i singoli punti quantici e i fullereni che accettano gli elettroni a livello di singola molecola.

L'intero processo di assemblaggio avviene su una superficie e in modo graduale per limitare le interazioni dei componenti (particelle), che potrebbero altrimenti combinarsi in vari modi se assemblati con metodi basati sulla soluzione. Questo assemblaggio a superficie consente inoltre di ottenere un controllo controllato, accoppiamento di nanoparticelle uno a uno.

Per identificare la disposizione architettonica ottimale per le particelle, gli scienziati hanno variato strategicamente la dimensione dei punti quantici - che assorbono ed emettono luce a frequenze diverse a seconda della loro dimensione - e la lunghezza delle molecole del ponte che collegano le nanoparticelle. Per ogni disposizione, hanno misurato la velocità di trasferimento degli elettroni utilizzando la spettroscopia a singola molecola.

"Questo metodo rimuove la media dell'insieme e rivela l'eterogeneità di un sistema - ad esempio le fluttuazioni delle velocità di trasferimento degli elettroni - che è qualcosa che i metodi spettroscopici convenzionali non possono sempre fare, " ha detto Colet.

Gli scienziati hanno scoperto che la riduzione delle dimensioni dei punti quantici e della lunghezza delle molecole di collegamento ha portato a miglioramenti nella velocità di trasferimento degli elettroni e alla soppressione delle fluttuazioni di trasferimento degli elettroni.

"Questa soppressione della fluttuazione del trasferimento di elettroni in dimeri con dimensioni del punto quantico più piccole porta a un tasso di generazione di carica stabile, che può avere un impatto positivo sull'applicazione di questi dimeri nell'elettronica molecolare, compreso il fotovoltaico potenzialmente in miniatura e di grande superficie, " ha detto Colet.

"Lo studio dei processi di separazione e ricombinazione di carica in queste strutture dimeriche semplificate e ben controllate ci aiuta a comprendere i più complicati processi di conversione da fotone a elettrone nelle celle solari di grandi dimensioni, ed eventualmente migliorare la loro efficienza fotovoltaica, " aggiunse Xu.

È pendente una domanda di brevetto statunitense sul metodo e sui materiali risultanti dall'utilizzo della tecnica, e la tecnologia è disponibile per la licenza.