Los nanocristales de silicio están formados por un gas silano en un proceso de plasma. Crédito:Lorenzo Mangolini / UC Riverside
Un equipo de investigadores de la Universidad de Texas en Austin y la Universidad de California, Riverside ha encontrado una manera de producir un fenómeno hipotético desde hace mucho tiempo:la transferencia de energía entre el silicio y lo orgánico, moléculas basadas en carbono, en un avance que tiene implicaciones para el almacenamiento de información en la computación cuántica, conversión de energía solar e imágenes médicas. La investigación se describe en un artículo publicado hoy en la revista. Química de la naturaleza .
El silicio es uno de los materiales más abundantes del planeta y un componente crítico en todo, desde los semiconductores que alimentan nuestras computadoras hasta las células utilizadas en casi todos los paneles de energía solar. Por todas sus habilidades, sin embargo, El silicio tiene algunos problemas a la hora de convertir la luz en electricidad. Los diferentes colores de luz se componen de fotones, partículas que transportan la energía de la luz. El silicio puede convertir eficientemente fotones rojos en electricidad, pero con fotones azules, que llevan el doble de energía que los fotones rojos, el silicio pierde la mayor parte de su energía en forma de calor.
El nuevo descubrimiento proporciona a los científicos una forma de aumentar la eficiencia del silicio combinándolo con un material a base de carbono que convierte los fotones azules en pares de fotones rojos que el silicio puede utilizar de manera más eficiente. Este material híbrido también se puede modificar para operar en reversa, tomando luz roja y convirtiéndola en luz azul, lo que tiene implicaciones para los tratamientos médicos y la computación cuántica.
"La molécula orgánica con la que hemos emparejado el silicio es un tipo de ceniza de carbono llamada antraceno. Es básicamente hollín, "dijo Sean Roberts, profesor asistente de química de UT Austin. El documento describe un método para conectar químicamente el silicio al antraceno, creando una línea de energía molecular que permite que la energía se transfiera entre el silicio y la sustancia similar a la ceniza. "Ahora podemos ajustar con precisión este material para que reaccione a diferentes longitudes de onda de luz. Imagínese, para computación cuántica, ser capaz de modificar y optimizar un material para convertir un fotón azul en dos fotones rojos o dos fotones rojos en uno azul. Es perfecto para el almacenamiento de información ".
Una transferencia de energía dexter de silicio a molécula impulsa la conversión ascendente de fotones. Crédito:Sean Roberts, La Universidad de Texas en Austin
Durante cuatro décadas, Los científicos han planteado la hipótesis de que emparejar el silicio con un tipo de material orgánico que absorbe mejor la luz azul y verde de manera eficiente podría ser la clave para mejorar la capacidad del silicio para convertir la luz en electricidad. Pero el simple hecho de colocar los dos materiales en capas nunca produjo la anticipada "transferencia de excitones de triplete de espín, "un tipo particular de transferencia de energía del material a base de carbono al silicio, necesario para realizar este objetivo. Roberts y los científicos de materiales de la UC Riverside describen cómo superaron el impasse con pequeños cables químicos que conectan los nanocristales de silicio con el antraceno. produciendo la transferencia de energía predicha entre ellos por primera vez.
"El desafío ha sido sacar pares de electrones excitados de estos materiales orgánicos y convertirlos en silicio. No se puede hacer simplemente depositando uno encima del otro, ", Dijo Roberts." Se necesita construir un nuevo tipo de interfaz química entre el silicio y este material para permitirles comunicarse electrónicamente ".
Roberts y su estudiante graduada Emily Raulerson midieron el efecto en una molécula especialmente diseñada que se adhiere a un nanocristal de silicio, la innovación de los colaboradores Ming Lee Tang, Lorenzo Mangolini y Pan Xia de UC Riverside. Usando un láser ultrarrápido, Roberts y Raulerson descubrieron que el nuevo cable molecular entre los dos materiales no solo era rápido, resiliente y eficiente, podría transferir efectivamente alrededor del 90% de la energía del nanocristal a la molécula.
"Podemos utilizar esta química para crear materiales que absorban y emitan cualquier color de luz, "dijo Raulerson, Quién dice eso, con más ajustes precisos, nanocristales de silicio similares atados a una molécula podrían generar una variedad de aplicaciones, desde gafas de visión nocturna sin batería hasta nuevos dispositivos electrónicos en miniatura.
Una luz láser verde de menor energía atraviesa los puntos cuánticos de silicio, que los puntos cuánticos de silicio reemiten, o convertir, en una luz azul de mayor energía. Crédito:Lorenzo Mangolini y Ming Lee Tang / UCR
Otros procesos altamente eficientes de este tipo, llamada conversión ascendente de fotones, anteriormente dependía de materiales tóxicos. Como el nuevo enfoque utiliza exclusivamente materiales no tóxicos, abre la puerta a aplicaciones en medicina humana, bioimagen y tecnologías medioambientalmente sostenibles, algo en lo que Roberts y su colega químico de UT Austin Michael Rose están trabajando.
En UC Riverside, El laboratorio de Tang fue pionero en cómo unir las moléculas orgánicas a las nanopartículas de silicio, y el grupo de Mangolini diseñó los nanocristales de silicio.
"La novedad es realmente cómo hacer que las dos partes de esta estructura, las moléculas orgánicas y los nanocristales de silicio confinados cuánticos, trabajen juntas, "dijo Mangolini, profesor asociado de ingeniería mecánica. "Somos el primer grupo que realmente pone los dos juntos".
