Cuando la luz incide sobre un material, como una hoja verde o la retina, ciertas moléculas transportan energía y carga. Esto finalmente conduce a la separación de cargas y la generación de electricidad. Embudos moleculares, las llamadas intersecciones cónicas, asegurarse de que este transporte sea altamente eficiente y dirigido.

Un equipo internacional de físicos ha observado ahora que tales intersecciones cónicas también aseguran un transporte de energía dirigido entre moléculas vecinas de un nanomaterial. Las simulaciones teóricas han confirmado los resultados experimentales. Hasta ahora, los científicos habían observado este fenómeno solo dentro de una molécula. A largo plazo, los resultados podrían ayudar a desarrollar nanomateriales más eficientes para células solares orgánicas, por ejemplo. El estudio, dirigido por Antonietta De Sio, Universidad de Oldenburg, y Thomas Frauenheim, Universidad de Bremen, Alemania, fue publicado en el número actual de la revista científica Nanotecnología de la naturaleza .

Los procesos fotoquímicos juegan un papel importante en la naturaleza y en la tecnología:cuando las moléculas absorben la luz, sus electrones pasan a un estado excitado. Esta transición desencadena procesos de conmutación molecular extremadamente rápidos. En el ojo humano, por ejemplo, la molécula de rodopsina gira de cierta manera después de absorber la luz y, por lo tanto, finalmente desencadena una señal eléctrica, el paso más elemental en el proceso visual.

Primera evidencia experimental de intersecciones cónicas entre moléculas

La razón de esto es una propiedad especial de las moléculas de rodopsina, explica Christoph Lienau, profesor de nanoóptica ultrarrápida en la Universidad de Oldenburg y coautor del estudio:"El proceso de rotación siempre se lleva a cabo de manera similar, aunque desde el punto de vista de la mecánica cuántica existen muchas posibilidades diferentes para el movimiento molecular ".

Esto se debe al hecho de que la molécula tiene que canalizarse a través de una intersección cónica durante el proceso de rotación, como demostró experimentalmente un estudio de 2010 en pigmento visual:"Este mecanismo de mecánica cuántica funciona como una calle de un solo sentido en la molécula:canaliza la energía en una determinada dirección con una probabilidad muy alta, "explica Lienau.

El equipo de investigación dirigido por Antonietta De Sio, científico senior del grupo de investigación Ultrafast Nano-Optics de la Universidad de Oldenburg, y Thomas Frauenheim, profesor de Ciencia de Materiales Computacionales en la Universidad de Bremen, ahora ha observado una calle de un solo sentido para los electrones en un nanomaterial. El material ha sido sintetizado por colegas de la Universidad de Ulm, Alemania, y ya se utiliza en dispositivos de células solares orgánicas eficientes.

"Lo que hace que nuestros resultados sean especiales es que hemos demostrado experimentalmente intersecciones cónicas entre moléculas vecinas por primera vez, "explica De Sio. Hasta ahora, Los físicos de todo el mundo solo habían observado el fenómeno de la mecánica cuántica dentro de una sola molécula y solo especulaban que también podría haber intersecciones cónicas entre moléculas que se encuentran una al lado de la otra.

Los cálculos teóricos apoyan los datos experimentales

El equipo de De Sio ha descubierto esta vía de un solo sentido para los electrones mediante el uso de métodos de espectroscopia láser ultrarrápida:los científicos irradian el material con pulsos de láser de solo unos pocos femtosegundos de duración. Un femtosegundo es una millonésima de mil millonésima de segundo. El método permite a los investigadores registrar una especie de película de los procesos que tienen lugar inmediatamente después de que la luz llega al material. El grupo pudo observar cómo los electrones y los núcleos atómicos se movían a través de la intersección cónica.

Los investigadores encontraron que un acoplamiento particularmente fuerte entre los electrones y las vibraciones nucleares específicas ayuda a transferir energía de una molécula a otra como si fuera una calle de un solo sentido. Esto es exactamente lo que sucede en las intersecciones cónicas. "En el material que estudiamos, Solo tomó alrededor de 40 femtosegundos entre la primera excitación óptica y el paso a través de la intersección cónica, "dice De Sio.

Para confirmar sus observaciones experimentales, los investigadores de Oldenburg y Bremen también colaboraron con físicos teóricos del Laboratorio Nacional de Los Alamos, Nuevo Mexico, NOSOTROS., y CNR-Nano, Módena, Italia. "Con sus cálculos, han demostrado claramente que hemos interpretado correctamente nuestros datos experimentales, "explica De Sio.

Los investigadores de Oldenburg aún no pueden estimar en detalle el efecto exacto de estas calles unidireccionales de la mecánica cuántica en las aplicaciones futuras de las nanoestructuras moleculares. Sin embargo, A largo plazo, los nuevos hallazgos podrían ayudar a diseñar nuevos nanomateriales para células solares orgánicas o dispositivos optoelectrónicos con eficiencias mejoradas. o desarrollar ojos artificiales a partir de nanoestructuras.