Un equipo internacional de científicos ha demostrado un gran avance en el diseño y la función de nanopartículas que podrían hacer que los paneles solares sean más eficientes al convertir la luz que las células solares suelen perder en energía utilizable.

El equipo, dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (Berkeley Lab), demostraron cómo recubrir partículas diminutas con tintes orgánicos mejora en gran medida su capacidad para capturar la luz del infrarrojo cercano y reemitir la luz en el espectro de luz visible, que también podría ser útil para la obtención de imágenes biológicas.

Una vez que entendieron el mecanismo que permite que los tintes de las nanopartículas funcionen como antenas para recolectar una amplia gama de luz, Rediseñaron con éxito las nanopartículas para amplificar aún más las propiedades de conversión de luz de las partículas. Su estudio fue publicado en línea el 23 de abril en Fotónica de la naturaleza .

"Estos tintes orgánicos capturan amplias franjas de luz infrarroja cercana, "dijo Bruce Cohen, un científico de Molecular Foundry de Berkeley Lab que ayudó a dirigir el estudio junto con los científicos de Molecular Foundry P. James Schuck (ahora en la Universidad de Columbia), y Emory Chan. The Molecular Foundry es un centro de investigación en nanociencia.

"Dado que las longitudes de onda de la luz del infrarrojo cercano a menudo no se utilizan en las tecnologías solares que se centran en la luz visible, "Cohen agregó, "y estas nanopartículas sensibilizadas con colorante convierten de manera eficiente la luz del infrarrojo cercano en luz visible, plantean la posibilidad de capturar una buena parte del espectro solar que de otra manera se desperdicia, e integrarlo en las tecnologías solares existentes ".

Los investigadores encontraron que el tinte en sí amplifica el brillo de la luz reemitida alrededor de 33, 000 veces, y su interacción con las nanopartículas aumenta su eficiencia en la conversión de luz en aproximadamente 100 veces.

Cohen, Schuck, y Chan había trabajado durante una década para diseñar, fabricar, y estudiar las nanopartículas de conversión ascendente (UCNP) utilizadas en este estudio. Los UCNP absorben la luz del infrarrojo cercano y la convierten de manera eficiente en luz visible, una propiedad inusual debido a las combinaciones de iones metálicos lantánidos en los nanocristales. Un estudio de 2012 sugirió que los tintes en la superficie de los UCNP mejoran dramáticamente las propiedades de conversión de luz de las partículas, pero el mecanismo sigue siendo un misterio.

"Hubo mucha emoción y luego mucha confusión, "Cohen dijo." Nos tenía rascándonos la cabeza ".

Aunque muchos investigadores habían intentado reproducir el estudio en los años siguientes, "Pocas personas pudieron hacer funcionar el procedimiento publicado, "añadió Chan." Los tintes parecían degradarse casi inmediatamente después de la exposición a la luz, y nadie sabía exactamente cómo interactuaban los tintes con la superficie de la nanopartícula ".

La combinación única de experiencia y capacidades en Molecular Foundry, que incluía trabajo teórico y una combinación de experimentos, conocimientos de química, y técnicas sintéticas bien perfeccionadas, hizo posible el último estudio, El lo notó. "Es uno de esos proyectos que sería difícil de hacer en cualquier otro lugar".

Experimentos dirigidos por David Garfield, un doctorado de UC Berkeley. estudiante, y Nicholas Borys, un científico del proyecto de Fundición Molecular, mostró un efecto simbiótico entre el tinte y los metales lantánidos en las nanopartículas.

La proximidad de los colorantes a los lantánidos en las partículas aumenta la presencia de un estado de colorante conocido como "triplete, "que luego transfiere su energía a los lantánidos de manera más eficiente. El estado triplete permitió una conversión más eficiente de múltiples unidades infrarrojas de luz, conocidos como fotones, en fotones individuales de luz visible.

Los estudios mostraron que una coincidencia en las mediciones de la emisión de luz del tinte y la absorción de luz de las partículas confirmó la presencia de este estado triplete. y ayudó a informar a los científicos sobre lo que estaba ocurriendo.

"Los picos (en emisión de tinte y absorción UCNP) coincidieron casi exactamente, "Dijo Cohen.

Luego encontraron que al aumentar la concentración de metales lantánidos en las nanopartículas, del 22 por ciento al 52 por ciento, podrían aumentar este efecto triplete para mejorar las propiedades de conversión de luz de las nanopartículas.

"Los metales están promoviendo los tintes a sus estados triplete, lo que ayuda a explicar tanto la eficiencia de la transferencia de energía como la inestabilidad de los tintes, Dado que los trillizos tienden a degradarse en el aire, "Dijo Cohen.

Las nanopartículas, que miden unos 12 nanómetros, o mil millonésimas de metros, a través de, potencialmente podría aplicarse a la superficie de las células solares para ayudarlas a capturar más luz para convertir en electricidad, Dijo Schuck.

"Los tintes actúan como concentradores solares a escala molecular, canalizar la energía de los fotones del infrarrojo cercano a las nanopartículas, "Dijo Schuck. Mientras tanto, las partículas mismas son en gran parte transparentes a la luz visible, para que dejaran pasar otra luz utilizable, El lo notó.

Otro uso potencial es introducir las nanopartículas en las células para ayudar a etiquetar los componentes celulares para estudios de microscopía óptica. Podrían usarse para imágenes de tejidos profundos, por ejemplo, o en optogenética, un campo que utiliza la luz para controlar la actividad celular.

Hay algunos obstáculos que los investigadores deben superar para realizar estas aplicaciones, Cohen dijo:ya que actualmente son inestables y se estudiaron en un ambiente de nitrógeno para evitar la exposición al aire.

Se necesita más I + D para evaluar posibles revestimientos protectores para las partículas, como diferentes polímeros que sirven para encapsular las partículas. "Tenemos en mente diseños aún mejores en el futuro, " él dijo.