Investigadores del Departamento de Química de la Universidad Carnegie Mellon han encontrado una manera de controlar la vida útil de los estados cuánticos de los nanoclusters de oro en tres órdenes de magnitud. lo que podría conducir a mejoras en las tecnologías de fotocatálisis y células solares. Su estudio aparece en la edición del 18 de abril de Ciencias .

Los estados cuánticos excitados ocurren cuando la luz es absorbida por una partícula y la energía de esa luz se almacena temporalmente dentro de la partícula. haciendo que su energía sea más alta que su estado fundamental. La energía decae rápidamente y puede perderse en forma de calor en el lapso de un nanosegundo, o una mil millonésima de segundo. La extensión de este estado cuántico podría proporcionar a los investigadores más tiempo y oportunidades para aprovechar la energía almacenada.

El profesor de química Carnegie Mellon, Rongchao Jin, es reconocido mundialmente por desarrollar nanopartículas de oro de tamaño preciso. En esta ampliación de su obra, investigadora postdoctoral Meng Zhou y Ph.D. estudiante Tatsuya Higaki, que son los primeros coautores del artículo, estudiaron nanoclusters de oro atómicamente precisos que contienen entre 30 y 38 átomos. Alteraron las estructuras de los cúmulos reorganizando los átomos en configuraciones exóticas y protegiéndolos con un ligando de protección.

Los investigadores midieron la vida útil de los estados cuánticos de los nanoclusters utilizando espectroscopía de resolución temporal de femtosegundos y nanosegundos para tomar instantáneas de los nanoclusters desde el momento en que absorbieron energía de la luz. en este caso un pulso láser de femtosegundos, hasta que liberaron la energía. Colaboradores de la Universidad de California, Riverside confirmó los resultados utilizando cálculos de la teoría de la función de densidad para analizar los orbitales moleculares de los nanoclusters.

Descubrieron que un nanocluster de oro de 30 átomos, con una estructura hexagonal compacta (hcp), tenía una vida cuántica de un nanosegundo. Pero un nanocluster de oro de 38 átomos con una estructura cúbica centrada en el cuerpo (bcc) tenía una vida útil mucho más larga de 4,7 microsegundos. Al extender la vida útil en tres magnitudes, los investigadores tienen tiempo suficiente para extraer la energía luminosa absorbida de los nanoclusters, un hallazgo que tiene implicaciones significativas.

"La estrategia de manipular la vida útil del estado excitado de muy corta a muy larga es emocionante. La vida cuántica excepcionalmente larga de 4,7 microsegundos es comparable a la del silicio a granel, que se utiliza para células solares comerciales, "dijo Jin." Debería darnos suficiente tiempo para extraer eficientemente la energía en circuitos externos como una corriente electrónica sin perder demasiada energía para calentar ".

La vida útil cuántica personalizada también se puede utilizar para aumentar la eficiencia de la fotocatálisis basada en luz visible utilizada para convertir el almacenamiento de energía solar en productos químicos. como convertir metanol y etanol a partir de dióxido de carbono.