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Investigadores del Instituto Fritz Haber (FHI) de Berlín, el MPSD y la Universidad Julius-Maximilians de Würzburg han aportado nuevos e importantes conocimientos sobre un proceso clave para el desarrollo de células solares más eficientes y otras tecnologías basadas en la luz, denominado fisión de excitones singlete. Han conseguido rastrear cómo se mueven en tiempo real las moléculas de un material prometedor, los cristales individuales compuestos por moléculas de pentaceno, mientras se produce la fisión de los excitones singlete, demostrando que un movimiento colectivo de las moléculas puede ser el origen de las rápidas escalas de tiempo relacionadas con este proceso.
La generación de energía en las tecnologías basadas en la luz depende de la capacidad de los materiales para convertir la luz en energía eléctrica y viceversa. Ciertos sólidos moleculares orgánicos tienen la peculiar capacidad de aumentar significativamente la eficiencia de conversión de energía solar en eléctrica, gracias a un proceso denominado fisión de excitones singulares (SEF). En este proceso se generan dos pares de agujeros de electrones, llamados excitones, mediante la absorción de un cuanto de luz (un fotón). Debido a sus importantes implicaciones tecnológicas, se han dedicado enormes esfuerzos de investigación a comprender cómo funciona realmente la SEF.
La eficacia y la velocidad del proceso SEF vienen dictadas por sutiles detalles relacionados con la forma en que las moléculas se disponen en el material. Sin embargo, a pesar de los cientos de estudios sobre el tema, no ha habido forma de observar en tiempo real cómo se mueven exactamente las moléculas para facilitar el evento SEF. Entender esta parte del rompecabezas es esencial para optimizar los materiales SEF y aumentar aún más su eficacia.
En un estudio publicado recientemente en Sciences Advances, los investigadores del FHI, el MPSD y la Universidad Julius-Maximilians de Würzburg han conseguido seguir el movimiento de las moléculas de un material cristalino construido a partir de moléculas de pentaceno durante el proceso de SEF, utilizando una técnica experimental denominada "difracción de electrones de femtosegundos". Dicha técnica puede capturar instantáneas de la estructura atómica en tiempo real mientras se desarrolla el proceso SEF. Para poder captar estas instantáneas en el pentaceno, un material que solo contiene átomos pequeños y ligeros, las mediciones tuvieron que alcanzar una estabilidad y resolución excepcionales.
"Hemos llevado este tipo de experimentos a un punto en el que se pueden tratar estos materiales, lo cual es muy emocionante para la química, la biología y la ciencia de los materiales. Estas mediciones han revelado que los movimientos moleculares verdaderamente colectivos acompañan al proceso SEF en el pentaceno. En concreto, se ha identificado una oscilación ultrarrápida deslocalizada de las moléculas de pentaceno, que facilita la transferencia eficiente de energía y carga a través de grandes distancias", afirma Heinrich Schwoerer, del MPSD.
Gracias a la teoría más avanzada, el equipo pudo revelar los movimientos moleculares implicados en el evento de excitación inicial y cómo estos movimientos desencadenan movimientos moleculares más complejos que implican a muchas moléculas del cristal. "Nuestro análisis teórico pudo resolver movimientos moleculares muy complejos. Pudimos identificar uno dominante que implica el deslizamiento de las moléculas entre sí, y que solo puede desencadenarse mediante el acoplamiento de las excitaciones electrónicas a otros movimientos moleculares más localizados, que luego, a su vez, se acoplan a este movimiento clave también observado en el experimento", dice Mariana Rossi, del MPSD.
Estos movimientos atómicos colectivos observados por el equipo que participa en el proyecto podrían ser la clave para explicar cómo los dos excitones generados a partir del proceso SEF pueden separarse, lo cual es un requisito previo para cosechar sus cargas en un dispositivo de energía solar. "Sencillamente, nuestra imagen es que estos movimientos moleculares neutralizan eficazmente las fuerzas que mantienen unidos a los dos excitones justo después de que se hayan generado, proporcionando una posible explicación sobre el origen de las escalas de tiempo ultrarrápidas relacionadas con la fisión, y facilitando así la alta eficiencia de la conversión de energía solar en eléctrica", afirma Hélène Seiler, becaria postdoctoral del FHI en el grupo de Ralph Ernstorfer.
Según Sebastian Hammer, de la cátedra de Física Experimental VI de la Universidad de Würzburg, el trabajo del equipo tendrá un impacto más amplio: "Más allá de proporcionar importantes conocimientos sobre el proceso SEF, este trabajo demuestra que es posible revelar el movimiento atómico en materiales orgánicos funcionales más complejos, que son delicados y están compuestos por átomos ligeros".
Fuentes, créditos y referencias:
“Nuclear dynamics of singlet exciton fission in pentacene single
crystals” by Hélène Seiler, Marcin Krynski, Daniela Zahn, Sebastian
Hammer, Yoav William Windsor, Thomas Vasileiadis, Jens Pflaum, Ralph
Ernstorfer, Mariana Rossi and Heinrich Schwoerer, 25 June 2021, Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv.abg0869
Imagen: En el proceso de fisión del excitón singlete, se crea un excitón singlete (azul) al absorber la luz y luego se divide en dos tripletes (rojo) en escalas de tiempo ultrarrápidas. El equipo siguió los movimientos moleculares en tiempo real que acompañan a este proceso en cristales individuales de pentaceno. Crédito: © Jörg Harms, MPSD