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Nanocristais de silício são formados por um gás silano em um processo de plasma. Crédito: Lorenzo Mangolini / UC Riverside
Uma equipe de pesquisadores da Universidade do Texas em Austin e da Universidade da Califórnia, Riverside, encontrou uma maneira de produzir um fenômeno há muito hipotético - a transferência de energia entre o silício e as moléculas orgânicas baseadas em carbono - em uma descoberta que tem implicações para armazenamento de informações em computação quântica, conversão de energia solar e imagens médicas. A pesquisa é descrita em um artigo publicado hoje na revista Nature Chemistry .
O silício é um dos materiais mais abundantes do planeta e um componente crítico em tudo, desde os semicondutores que alimentam nossos computadores até as células usadas em quase todos os painéis de energia solar . Para todas as suas habilidades, no entanto, o silício apresenta alguns problemas quando se trata de converter luz em eletricidade. Diferentes cores da luz são compostas por fótons, partículas que carregam a energia da luz. O silício pode converter eficientemente fótons vermelhos em eletricidade, mas com fótons azuis, que carregam o dobro da energia dos fótons vermelhos, o silício perde a maior parte de sua energia como calor.
A nova descoberta fornece aos cientistas uma maneira de aumentar a eficiência do silício, combinando-o com um material à base de carbono que converte fótons azuis em pares de fótons vermelhos que podem ser usados com mais eficiência pelo silício. Esse material híbrido também pode ser ajustado para operar em sentido inverso, captando a luz vermelha e convertendo-a em luz azul, o que tem implicações para tratamentos médicos e computação quântica.
"A molécula orgânica com a qual combinamos o silício é um tipo de cinza de carbono chamado antraceno. É basicamente fuligem", disse Sean Roberts, professor assistente de química da UT Austin. O artigo descreve um método para conectar quimicamente o silício ao antraceno, criando uma linha de energia molecular que permite a transferência de energia entre o silício e a substância semelhante à cinza. "Agora podemos ajustar com precisão esse material para reagir a diferentes comprimentos de onda da luz. Imagine, para a computação quântica , poder ajustar e otimizar um material para transformar um fóton azul em dois fótons vermelhos ou dois fótons vermelhos em um azul. É perfeito para armazenamento de informações ".
Uma transferência de energia de dexter de silício para molécula leva à conversão de fótons. Crédito: Sean Roberts, Universidade do Texas em Austin
Por quatro décadas, os cientistas levantaram a hipótese de que emparelhar silício com um tipo de material orgânico que absorva melhor a luz azul e verde com eficiência poderia ser a chave para melhorar a capacidade do silício de converter luz em eletricidade. Mas simplesmente colocar os dois materiais em camadas nunca provocou a "transferência de excêntrico de spin-trigêmeo", um tipo específico de transferência de energia do material à base de carbono para o silício, necessário para atingir esse objetivo. Roberts e cientistas de materiais da UC Riverside descrevem como eles romperam o impasse com pequenos fios químicos que conectam nanocristais de silício ao antraceno, produzindo a transferência de energia prevista entre eles pela primeira vez.
"O desafio foi obter pares de elétrons excitados desses materiais orgânicos e transformá-los em silício. Isso não pode ser feito apenas depositando um em cima do outro", disse Roberts. "É preciso construir um novo tipo de interface química entre o silício e esse material para permitir que eles se comuniquem eletronicamente".
Roberts e sua aluna Emily Raulerson mediram o efeito em uma molécula especialmente projetada que se liga a um nanocristais de silício, a inovação dos colaboradores Ming Lee Tang, Lorenzo Mangolini e Pan Xia, da UC Riverside. Usando um laser ultra-rápido, Roberts e Raulerson descobriram que o novo fio molecular entre os dois materiais não era apenas rápido, resistente e eficiente, mas também podia transferir efetivamente cerca de 90% da energia do nanocristais para a molécula.
"Podemos usar essa química para criar materiais que absorvem e emitem qualquer cor de luz ", disse Raulerson, que afirma que, com mais ajustes finos, nanocristais de silício semelhantes amarrados a uma molécula podem gerar uma variedade de aplicações, desde baterias noturnas sem bateria óculos de visão para novos eletrônicos em miniatura.
Uma luz laser verde de menor energia passa pelos pontos quânticos de silício, que os pontos quânticos de silício reemitem, ou convertem-se, em uma luz azul de energia mais alta. Crédito: Lorenzo Mangolini e Ming Lee Tang / UCR
Outros processos altamente eficientes desse tipo, chamados de conversão de fótons , dependiam anteriormente de materiais tóxicos. Como a nova abordagem utiliza materiais exclusivamente não tóxicos, ela abre as portas para aplicações em medicina humana, bioimagem e tecnologias ambientalmente sustentáveis, algo para o qual Roberts e seu colega Michael Rose, químico da UT Austin, estão trabalhando.
Na UC Riverside, o laboratório de Tang foi pioneiro em como conectar as moléculas orgânicas às nanopartículas de silício, e o grupo de Mangolini projetou os nanocristais de silício.
"A novidade é realmente como conseguir que as duas partes dessa estrutura - as moléculas orgânicas e os nanocristais de silício confinado quântico - trabalhem juntos", disse Mangolini, professor associado de engenharia mecânica. "Somos o primeiro grupo a realmente juntar os dois."
Explorar mais
Mais informações: Obtenção de transferência de exciton tripleto de spin entre aceitadores moleculares e de silício para conversão ascendente de fótons, Nature Chemistry (2019). DOI: 10.1038 / s41557-019-0385-8 , https://nature.com/articles/s41557-019-0385-8
Informações da revista: Nature Chemistry
Fornecido pela Universidade do Texas em Austin
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HélioR.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica,
Astrobiologia e Climatologia).
Membro da Society for Science and the Public
(SSP) e assinante de conteúdos científicos da NASA (National Aeronautics and
Space Administration) e ESA (European Space Agency).
Participa do
projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao
Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela
NASA.A partir de 2019, tornou-se
membro da Sociedade Astronômica Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
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