Chimici e scienziati dei polimeri che collaborano all'Università del Massachusetts Amherst riferiscono in Comunicazioni sulla natura questa settimana hanno identificato per la prima volta una proprietà inaspettata in una molecola di semiconduttore organico che potrebbe portare a materiali più efficienti ed economici da utilizzare nei display di telefoni cellulari e laptop, Per esempio, e in dispositivi optoelettronici come laser, diodi emettitori di luce e comunicazioni in fibra ottica.

Il chimico fisico Michael Barnes e lo scienziato dei polimeri Alejandro Briseño, con i dottorandi Sarah Marques, Ilario Thompson, Nicholas Colella e la ricercatrice post-dottorato Joelle Labastide, scoperto la proprietà, separazione di carica intrinseca direzionale, in nanofili cristallini di un semiconduttore organico noto come 7, 8, 15, 16-tetraazaterrilene (TAT).

I ricercatori hanno visto non solo un'efficiente separazione delle cariche in TAT, ma una direzionalità molto specifica che Barnes dice "è abbastanza utile. Aggiunge controllo, quindi non siamo in balia di movimenti casuali, che è inefficiente. Il nostro articolo descrive un aspetto della fisica nanoscopica all'interno di singoli cristalli, una struttura che semplificherà l'uso di questa molecola per nuove applicazioni come nei dispositivi che utilizzano l'ingresso di luce polarizzata per la commutazione ottica. Noi e altri sfrutteremo immediatamente questa direzionalità".

Aggiunge, "L'osservazione della separazione di carica intrinseca non avviene nei polimeri, per quanto ne sappiamo accade solo in questa famiglia di piccoli assemblaggi cristallini di molecole organiche o nanofili. In termini di applicazione, stiamo ora esplorando modi per disporre i cristalli in uno schema uniforme e da lì possiamo accendere o spegnere le cose a seconda della polarizzazione ottica, Per esempio."

Però, il team di UMass Amherst ritiene che la proprietà non sia una stranezza unica per questo materiale, ma che diversi materiali potenzialmente lo condividono, rendere le scoperte in TAT interessanti per un'ampia varietà di ricercatori, dice Barnes. Simili tipi di osservazioni sono state osservate nei cristalli di pentacene, lui nota, che mostrano qualcosa di simile ma senza direzionalità. In questo lavoro supportato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e dal Centro per la produzione gerarchica di UMass Amherst, propongono che l'effetto derivi da un'interazione di trasferimento di carica nei nanofili conduttori di carica della molecola che possono essere programmati.

Nella visione convenzionale della raccolta di energia solare con materiali organici o a base di carbonio, spiega il chimico, gli scienziati hanno capito che gli strati attivi organici al lavoro nei dispositivi assorbono la luce, che porta a uno stato eccitato noto come eccitone. In questo meccanismo, l'eccitone migra verso un confine di interfaccia dove si separa in una carica positiva e negativa, liberando la tensione da utilizzare come potenza. "In questa prospettiva, speri che la luce sia ben assorbita in modo che il trasferimento sia efficiente, " lui dice.

In lavori precedenti, Barnes, Briseño e altri di UMass Amherst hanno lavorato per controllare la dimensione del dominio dei materiali in modo che corrisponda a quella che si credeva fosse la distanza che un eccitone può percorrere nel tempo necessario per irradiarsi, Aggiunge. "Tutto questo si basava sull'idea che il meccanismo per la separazione di carica è estrinseco, che una forza motrice esterna separa le cariche, " fa notare. L'obiettivo era eliminare la necessità di quell'interfaccia."

Più recentemente, Briseño e colleghi hanno raggiunto un punto nella sintesi dei cristalli in cui i loro dispositivi a base di polimeri non funzionavano come volevano, si riferisce. Briseño ha chiesto a Barnes e ai colleghi di utilizzare la loro speciale strumentazione di misurazione per indagare. Barnes e colleghi hanno scoperto un difetto strutturale che Briseño potrebbe correggere. "Gli abbiamo fornito alcuni diagnostici per migliorare la loro crescita dei cristalli, "dice Barnes.

"Da questa, abbiamo notato indizi che stavano succedendo cose molto interessanti, che ci ha portato alla scoperta, Barnes aggiunge. "È divertente quando la scienza funziona in questo modo. È stata una relazione molto bella e reciprocamente vantaggiosa".

"Ciò che la natura ci ha portato è stato qualcosa di davvero molto più ricco e interessante di qualsiasi cosa avremmo potuto prevedere. Abbiamo pensato che sarebbe stato qualitativamente simile alle osservazioni precedenti, forse diverso nei particolari quantitativi, ma la vera storia è molto più interessante. In questo materiale, hanno scoperto che il modo in cui imballa i cristalli dà origine alla sua stessa separazione, una proprietà intrinseca del materiale cristallino."