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    Moléculas en éxtasis colectivo

    Jakob Heier con muestras de su tinte de antena. Crédito:Empa

    "Lo que vemos aquí es una transferencia de energía que es mucho más rápida que en cualquier semiconductor, "dice Jakob Heier. El físico trabaja en el laboratorio de polímeros funcionales de Empa, y el descubrimiento que hizo con su equipo podría causar revuelo en muchas áreas, como la tecnología de sensores, transmisión óptica de datos o fabricación de células solares orgánicas. Estamos hablando de islas de moléculas de tinte con un perfecto, estructura interna. Entre los expertos, tales estructuras se denominan agregados J. Aunque se conocen desde hace más de 80 años, recientemente atrajeron una renovada atención en la investigación. Esto se debe a la vida interna electrónica especial de estas islas de tinte.

    Para comprender lo que han encontrado Heier y sus colegas, una breve excursión al mundo de los tintes es útil:si un tinte va a brillar, la molécula debe activarse primero con luz. Abrillantadores ópticos en detergentes, por ejemplo, absorben la luz ultravioleta y emiten luz azulada (visible), razón por la cual las prendas blancas brillan tan intensamente con la luz ultravioleta de un club. La luz emitida tiene menos energía que la luz utilizada para activar el tinte, porque parte de la energía se convierte en vibraciones, es decir, calor, en la molécula de tinte.

    Moléculas como antenas de energía

    Los agregados J estudiados por Heier y Empa Ph.D. El estudiante Surendra Anantharaman se comporta de manera diferente a las moléculas de colorante individuales. En estas islas moleculares, las moléculas de tinte están bien ordenadas y muy juntas, como fósforos en una caja. En esta constelación la molécula de tinte no tiene que brillar, pero "puede" transmitir su energía a una molécula vecina.

    En comparación con los semiconductores clásicos de silicio, hay una diferencia crucial, aunque:en un semiconductor de silicio, como una celda solar, la energía de excitación se transporta a través de portadores de carga, por ejemplo electrones, que 'brincan' a través del material, por así decirlo. En agregados J, por otra parte, los electrones solo oscilan hacia adelante y hacia atrás en la molécula de tinte y nunca la abandonan. En lugar de electrones, sólo se transmiten oscilaciones, similar a las antenas transmisoras y receptoras del mundo macroscópico. De hecho, Los agregados J pueden "transmitir" energía en la escala más pequeña, extremadamente rápido ya través de cientos de moléculas.

    Grandes pérdidas durante 80 años

    El fenómeno de los agregados J y su transmisión de energía especial fue descubierto por primera vez en 1936 por Edwin E. Jelley en los Estados Unidos y Günter Scheibe en Alemania. Pero hasta ahora aproximadamente el 95 por ciento de la energía irradiada se perdió y no pudo transmitirse. Los 'errores de construcción' en el sistema fueron los culpables. En realidad, las moléculas no estaban tan perfectamente alineadas. Y cada vez que el pulso de energía encuentra uno de estos defectos durante su viaje a través del agregado J, el transporte de energía se interrumpió. Una vibración molecular ordinaria terminó la transferencia, se generó un poco de calor, y el juego terminó.

    El bosque de antenas perfecto

    El equipo de Empa, apoyado por investigadores de ETH Zurich, EPF Lausana, PSI e IBM Research Zurich, ahora ha logrado desarrollar un sistema de tinte, en el que se reemite hasta el 60 por ciento de la luz entrante. Esto también significa que hasta el 60 por ciento de la energía se puede transmitir sin pérdida, en comparación con el cinco por ciento anterior, esto es una sensación. La clave del éxito fueron las islas de tinte perfectamente construidas que se habían creado en una fina emulsión de agua y hexilamina. Una emulsión es una mezcla de gotitas líquidas en otro líquido; la leche o la mayonesa son emulsiones con las que todo el mundo está familiarizado.

    Los investigadores de Empa observaron que no cualquier emulsión haría el trabajo:tenía que ser una emulsión bicontinua, lo que significa que las gotas suspendidas en el líquido exterior no deben estar distantes unas de otras, pero deben haberse combinado para formar estructuras parecidas a rayas. Solo entonces el tinte bajo investigación forma los agregados J libres de defectos deseados y puede 'enviar' la energía absorbida a largas distancias sin pérdida. Por lo tanto, Las moléculas de tinte se alinean en una emulsión bicontinua, similar a las cerillas en una caja. Solo entonces la transmisión de la señal se realiza correctamente.

    Los fracasos son parte del juego

    El estudio que ahora se ha publicado también menciona —en buena tradición científica— los intentos fallidos y la historia del experimento exitoso. Después de todo, Los químicos y físicos de todo el mundo deberían poder aprovechar la experiencia del equipo de Empa. Por ejemplo, no fue posible cristalizar el tinte en forma de películas delgadas sobre una superficie sólida. Demasiados defectos en los cristales arruinaron la transferencia. Soluciones acuosas, en el que el tinte se agrega en pequeñas gotas, tampoco funcionan. Solo las emulsiones bicontinuas conducen a la transmisión de señales, y solo si quedan moléculas de colorante individuales en una fase líquida que pueden llenar los huecos y cerrar los huecos en los agregados J, en otras palabras, que puede reparar defectos.

    Ciertamente, los investigadores aún tienen un largo camino por recorrer antes de que lo que ahora han logrado en una emulsión pueda volverse técnicamente útil. Pero la transmisión de señales a través de tintes podría penetrar en muchas áreas de la vida cotidiana. Por ejemplo, Es posible capturar luz infrarroja débil con la ayuda de estos tintes y convertirla en señales digitales con la ayuda de puntos cuánticos, una ventaja para la tecnología de sensores y las células solares. que se supone que proporcionan electricidad incluso con luz muy débil. Debido a sus propiedades únicas, Los agregados J también se prestan a aplicaciones en computadoras cuánticas y transmisión óptica de datos.

    Finalmente, los agregados de colorantes conductores de señales podrían resultar útiles en el diagnóstico en tejido vivo:luz infrarroja, o radiación térmica, penetra profundamente en el tejido humano sin dañar las células. Los agregados J podrían hacer que esta radiación sea visible y digitalizarla. Esto podría facilitar y mejorar en gran medida la obtención de imágenes microscópicas de alta resolución de tejido vivo.


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