Investigadores de la Universidad de Duke han revelado dinámicas moleculares ocultas durante mucho tiempo que brindan propiedades deseables para aplicaciones de energía solar y energía térmica a una clase emocionante de materiales llamados perovskitas de haluro.

Un factor clave en la forma en que estos materiales crean y transportan electricidad depende literalmente de la forma en que su red atómica se retuerce y gira en forma de bisagra. Los resultados ayudarán a los científicos de materiales en su búsqueda por adaptar las recetas químicas de estos materiales para una amplia gama de aplicaciones de una manera respetuosa con el medio ambiente.

Los resultados aparecen en línea el 15 de marzo en la revista. Materiales de la naturaleza .

"Existe un gran interés en las perovskitas de haluro para aplicaciones energéticas como la fotovoltaica, termoeléctrica, detección y emisión de radiación optoelectrónica:todo el campo es increíblemente activo, "dijo Olivier Delaire, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales en Duke. "Si bien entendemos que la suavidad de estos materiales es importante para sus propiedades electrónicas, nadie sabía realmente cómo los movimientos atómicos que hemos descubierto sustentan estas características ".

Las perovskitas son una clase de materiales que, con la combinación correcta de elementos, se cultivan en una estructura cristalina que los hace particularmente adecuados para aplicaciones energéticas. Su capacidad para absorber luz y transferir su energía de manera eficiente los convierte en un objetivo común para los investigadores que desarrollan nuevos tipos de células solares. por ejemplo. También son suaves algo así como cómo el oro sólido se puede abollar fácilmente, lo que les da la capacidad de tolerar defectos y evitar grietas cuando se convierten en una película delgada.

Talla única sin embargo, no sirve para todos, ya que existe una amplia gama de recetas potenciales que pueden formar una perovskita. Muchas de las recetas más simples y estudiadas incluyen un halógeno, como cloro, flúor o bromo, lo que les da el nombre de perovskitas de haluro. En la estructura cristalina de las perovskitas, estos haluros son las uniones que unen los motivos cristalinos octaédricos contiguos.

Si bien los investigadores han sabido que estos puntos de pivote son esenciales para crear las propiedades de una perovskita, nadie ha podido ver la forma en que permiten que las estructuras a su alrededor se retuerzan dinámicamente, girar y doblar sin romperse, como un molde de gelatina que se agita vigorosamente.

"Estos movimientos estructurales son notoriamente difíciles de precisar experimentalmente. La técnica de elección es la dispersión de neutrones, que viene con un inmenso esfuerzo de análisis de datos e instrumentos, y muy pocos grupos tienen el dominio de la técnica que hacen Olivier y sus colegas, "dijo Volker Blum, profesor de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales en Duke que hace modelos teóricos de perovskitas, pero no participó en este estudio. "Esto significa que están en condiciones de revelar los fundamentos de las propiedades de los materiales en las perovskitas básicas que de otro modo serían inalcanzables".

En el estudio, Delaire y colegas del Laboratorio Nacional Argonne, Laboratorio Nacional Oak Ridge, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, y la Universidad Northwestern, Revelan importantes dinámicas moleculares de lo estructuralmente simple, perovskita de haluro comúnmente investigada (CsPbBr ₃ ) por primera vez.

Los investigadores comenzaron con un gran escala de centímetros, monocristal de perovskita de haluro, lo cual es notoriamente difícil de crecer a tales tamaños, una de las principales razones por las que este tipo de estudio dinámico no se ha logrado hasta ahora. Luego bombardearon el cristal con neutrones en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge y rayos X en el Laboratorio Nacional de Argonne. Al medir cómo los neutrones y los rayos X rebotaron en los cristales en muchos ángulos y en diferentes intervalos de tiempo, los investigadores descubrieron cómo se movían sus átomos constituyentes con el tiempo.

Después de confirmar su interpretación de las mediciones con simulaciones por computadora, los investigadores descubrieron cuán activa es realmente la red cristalina. Los motivos octaédricos de ocho lados unidos entre sí a través de átomos de bromo fueron atrapados girando colectivamente en dominios en forma de placa y doblando constantemente hacia adelante y hacia atrás de una manera muy fluida.

"Debido a la forma en que los átomos están dispuestos con motivos octaédricos que comparten átomos de bromo como uniones, son libres de tener estas rotaciones y curvas, ", dijo Delaire." Pero descubrimos que estas perovskitas de haluro en particular son mucho más "flexibles" que algunas otras recetas. En lugar de volver a tomar forma inmediatamente, regresan muy lentamente, casi más parecido a gelatina o líquido que a un cristal sólido convencional ".

Delaire explicó que este baile molecular de espíritu libre es importante para comprender muchas de las propiedades deseables de las perovskitas de haluro. Su 'flacidez' evita que los electrones se recombinen en los agujeros de los que los fotones entrantes los sacaron, lo que les ayuda a producir mucha electricidad a partir de la luz solar. Y probablemente también dificulte que la energía térmica viaje a través de la estructura cristalina, lo que les permite crear electricidad a partir del calor al hacer que un lado del material esté mucho más caliente que el otro.

Porque la perovskita utilizada en el estudio — CsPbBr ₃ —Tiene una de las recetas más sencillas, sin embargo, ya contiene las características estructurales comunes a la amplia familia de estos compuestos, Delaire cree que estos hallazgos probablemente se apliquen a una amplia gama de perovskitas de haluro. Por ejemplo, él cita perovskitas híbridas orgánico-inorgánicas (HOIP), que tienen recetas mucho más complicadas, así como variantes de doble perovskita sin plomo que son más respetuosas con el medio ambiente.

"Este estudio muestra por qué este marco de perovskita es especial incluso en los casos más simples, ", dijo Delaire." Es muy probable que estos hallazgos se extiendan a recetas mucho más complicadas, que muchos científicos de todo el mundo están investigando actualmente. Mientras examinan enormes bases de datos computacionales, la dinámica que hemos descubierto podría ayudar a decidir qué perovskitas seguir ".