I ricercatori della North Carolina State University hanno dimostrato il trasferimento di energia eccitonica tripletta da nanocristalli semiconduttori ad accettori molecolari legati alla superficie, estendendo la durata dello stato eccitato originariamente preparato di sei ordini di grandezza. Questa scoperta ha implicazioni per campi che vanno dalla conversione dell'energia solare alla sintesi fotochimica, dall'optoelettronica alla terapia della luce per il trattamento del cancro.

Gli eccitoni sono le coppie elettrone/lacuna formate nei nanocristalli semiconduttori per assorbimento della luce, immagazzinandola temporaneamente come energia chimica. Nelle celle solari, Per esempio, gli eccitoni trasportano energia attraverso il materiale in modo che possa essere raccolto e convertito in elettricità.

In termini di fotochimica, il principale svantaggio dell'utilizzo della maggior parte dei nanocristalli semiconduttori come fotosensibilizzanti risiede nella loro breve vita in stato eccitato, in genere decine di nanosecondi, che li rende inadeguati a guidare reazioni fotochimiche. Professore di chimica statale NC Felix Castellano, insieme al postdoc Cedric Mongin e alla laureanda Sofia Garakyaraghi, si chiedeva se sarebbe stato possibile estendere la durata dello stato eccitato dei nanocristalli dei semiconduttori a scale temporali abbastanza lunghe da eseguire la chimica.

"La domanda fondamentale era:"Possiamo prendere uno stato eccitato di nanoparticelle con una durata di decine di nanosecondi ed estenderlo attraverso la sensibilizzazione, '", dice Castellano. "Se prendiamo lo stato eccitato del nanocristallo originale e trasferiamo la sua energia a un accettore di triplette sulla superficie del nanomateriale, quindi lo stato eccitato della tripletta molecolare che crei dovrebbe avere una durata sufficientemente lunga da promuovere reazioni chimiche. Ciò suggerirebbe anche che i nanocristalli semiconduttori esibiscono un comportamento simile a quello molecolare".

Il team di Castellano ha utilizzato nanocristalli di seleniuro di cadmio (CdSe) ricoperti di acido oleico, preparato dal Prof. Mikhail Zamkov e dalla sua studentessa Natalia Razgoniaeva alla Bowling Green State University. Parte dell'acido oleico viene quindi sostituito dall'acido 9-anthacenecarbossilico accettore di triplette molecolare (ACA). Quando l'ACA con nanocristalli di CdSe viene colpito da un impulso laser verde, l'eccitone prodotto nel CdSe viene trasferito all'ACA, formando un eccitone molecolare tripletta con una vita di millisecondi. Ciò rappresenta un'estensione della vita di sei ordini di grandezza, consentendo la successiva reattività chimica.

"L'altro vantaggio è che spostando l'eccitone lontano dalla superficie delle nanoparticelle, invece di coinvolgere la nanoparticella stessa nelle reazioni chimiche desiderate, non degraderai la nanoparticella, " dice Castellano. "Può continuare ad assorbire la luce e trasferire l'energia nella soluzione sfusa".