Molekularna katapulta nadzieją dla energetyki
Badanie przeprowadzili fizycy z University of Cambridge, którzy analizowali, jak elektrony zachowują się po pochłonięciu światła przez materiały organiczne wykorzystywane w ogniwach słonecznych i innych urządzeniach fotonicznych. W takich układach światło tworzy tzw. ekscyton, czyli parę złożoną z elektronu oraz dziury, a więc czyli brakującego elektronu w strukturze materiału. Aby powstał użyteczny prąd elektryczny, ta para musi bardzo szybko się rozdzielić. Im szybciej następuje ten proces, tym mniej energii zostaje utracone.
Czytaj też: Najdokładniejszy pomiar rozmiarów protonu w historii. Niemieccy fizycy potwierdzają Model Standardowy
Dotychczas sądzono, iż ultraszybkie oddzielenie ładunków wymaga dużej różnicy energii między materiałami donorowymi i akceptorowymi oraz silnego sprzężenia między nimi. Takie warunki pomagają elektronom przeskakiwać między cząsteczkami, ale jednocześnie powodują straty energii oraz ograniczają maksymalne napięcie generowane przez ogniwo słoneczne. Nowe eksperymenty pokazują jednak, że taki kompromis może nie być konieczny.
Aby to sprawdzić, członkowie zespołu badawczego zaprojektowali specjalny modelowy układ złożony z polimerowego donora i cząsteczki akceptorowej. Układ ten został celowo skonstruowany tak, aby spełniał warunki, które według klasycznych teorii powinny spowalniać transfer elektronów. Obejmował bardzo małą różnicę energii między materiałami oraz słabe oddziaływania między nimi. Mimo to eksperyment pokazał coś zaskakującego. Elektron przeskakiwał przez granicę między cząsteczkami w około 18 femtosekund. To czas tak krótki, że jest porównywalny z naturalnym tempem drgań atomów w cząsteczce.
Fizycy strzelają elektronami. Tylko po co?
Jedna femtosekunda to jedna biliardowa część sekundy. W tak krótkiej skali czasowej atomy w cząsteczkach nieustannie drgają. Okazało się, że to właśnie te drgania odgrywają kluczową rolę w procesie transferu elektronów. Zamiast powolnego, losowego błądzenia przez materiał, elektron zostaje wyrzucony w jednym spójnym impulsie: niczym z katapulty. Drgania cząsteczki mieszają jej stany energetyczne i nadają elektronowi zdecydowany impuls, który przenosi go na sąsiednią cząsteczkę.
Po dotarciu do cząsteczki akceptorowej elektron wywołuje kolejne zsynchronizowane drganie, generując swoiste molekularne echo procesu transferu. Ten efekt jest rzadkim i bardzo charakterystyczną oznaką niezwykle szybkiego rozdziału ładunków. Według autorów pracy pokazuje to, iż tempo całego procesu nie zależy wyłącznie od statycznej struktury elektronowej materiału, lecz również od tego, w jaki sposób drgają jego cząsteczki.
Czytaj też: Amerykański raport zawiera przepis na sukces wyjątkowego źródła energii. Fuzja jądrowa nabiera tempa
Odkrycie może zmienić sposób projektowania materiałów dla technologii wykorzystujących światło. Do tej pory drgania cząsteczek traktowano raczej jako czynnik zakłócający, który utrudnia kontrolę nad przepływem ładunków. Nowe wyniki sugerują jednak, że odpowiednio zaprojektowane drgania mogą działać jak narzędzie przyspieszające transport elektronów. Ma to szczególne znaczenie dla organicznych ogniw słonecznych, fotodetektorów czy procesów fotokatalitycznych, w których energia światła jest wykorzystywana do napędzania reakcji chemicznych, na przykład w produkcji wodoru. Jeśli naukowcy nauczą się projektować materiały tak, aby wykorzystywały “właściwe” drgania molekularne, możliwe będzie tworzenie bardziej wydajnych układów przetwarzania energii słonecznej.
Źródło: Nature Communications
