Tecnologia Científica

Fazendo a conversão ascendente de fóton de um sólido: Cristais que convertem a luz em comprimentos de onda mais úteis
As descobertas abrem caminho para muitas novas tecnologias fotônicas, como melhores células solares e fotocatalisadores para produções de hidrogênio e hidrocarbonetos.
Por Instituto de Tecnologia de Tóquio - 26/11/2021


As moléculas sensibilizadoras (verdes) absorvem fótons de baixa energia (luz de comprimento de onda longo) e tornam-se excitadas em estados de trigêmeos. Esses estados triplos são então transferidos para as moléculas aniquiladoras próximas (azul), que então os passam por todo o arranjo cristalino do aniquilador. Se dois estados triplos viajantes se encontram em uma única molécula aniquiladora, o excesso de energia combinado produz um fóton de energia mais alta (luz de comprimento de onda mais curto). Crédito: Yoichi Murakami da Tokyo Tech

Cristais orgânicos de solução sólida foram trazidos para a busca por materiais de upconversion de fótons superiores, que transformam a luz de comprimento de onda atualmente desperdiçada em luz de comprimento de onda menor mais útil. Cientistas do Instituto de Tecnologia de Tóquio revisitaram uma abordagem de materiais anteriormente considerada sem brilho - usando uma molécula desenvolvida originalmente para LEDs orgânicos - e alcançaram excelente desempenho e eficiência. Suas descobertas abrem caminho para muitas novas tecnologias fotônicas, como melhores células solares e fotocatalisadores para produções de hidrogênio e hidrocarbonetos.

A luz é uma fonte poderosa de energia que pode, se aproveitada corretamente, ser usada para impulsionar reações químicas teimosas, gerar eletricidade e operar dispositivos optoeletrônicos. No entanto, na maioria das aplicações, nem todos os comprimentos de onda da luz podem ser usados. Isso ocorre porque a energia que cada fóton carrega é inversamente proporcional ao seu comprimento de onda, e os processos químicos e físicos são acionados pela luz apenas quando a energia fornecida pelos fótons individuais excede um certo limite.

Isso significa que dispositivos como as células solares não podem se beneficiar de todas as cores contidas na luz do sol, pois ela é composta por uma mistura de fótons com energias altas e baixas. Cientistas de todo o mundo estão explorando ativamente materiais para realizar a conversão ascendente de fótons (PUC), pela qual fótons com energias mais baixas (comprimentos de onda mais longos) são capturados e reemitidos como fótons com energias mais altas (comprimentos de onda mais curtos). Uma maneira promissora de perceber isso é por meio da aniquilação de trios triplos (ATT). Este processo requer a combinação de um material sensibilizador e um material aniquilador. O sensibilizador absorve fótons de baixa energia (luz de comprimento de onda longo) e transfere sua energia excitada para o aniquilador, que emite fótons de alta energia (luz de comprimento de onda mais curto) como resultado do TTA.

Encontrar bons materiais sólidos para a PUC tem se mostrado um desafio por muito tempo. Embora as amostras líquidas possam atingir uma eficiência PUC relativamente alta, trabalhar com líquidos, especialmente aqueles que compreendem solventes orgânicos, é inerentemente arriscado e complicado em muitas aplicações. No entanto, os ensaios anteriores para criar sólidos PUC geralmente sofreram de baixa qualidade de cristal e pequenos domínios de cristal, o que levou a curtas distâncias de viagem de estados excitados de tripleto e, portanto, baixa eficiência de PUC. Além disso, na maioria das amostras de PUC sólidas anteriores, a estabilidade sob fotoirradiação contínua não foi testada e os dados experimentais foram frequentemente adquiridos em atmosferas de gás inerte. Consequentemente, a baixa eficiência e a estabilidade insuficiente dos materiais foram uma preocupação por muito tempo.

Agora, em um estudo recente liderado pelo professor associado Yoichi Murakami de Tokyo Tech, Japão, uma equipe de pesquisadores encontrou a resposta para esse desafio. Publicado na Materials Horizons , seu artigo ( acesso aberto ) descreve como eles se concentraram nos cristais de van der Waals, uma classe de materiais clássica que não foi considerada para a busca de sólidos PUC de alta eficiência. Depois de descobrir que o 9- (2-naftil) -10- [4- (1-naftil) fenil] antraceno (ANNP), uma molécula de hidrocarboneto originalmente desenvolvida para LEDs orgânicos azuis, era um excelente aniquilador para incorporar seu conceito, eles tentaram misturar com platina octaetilporfirina (PtOEP), um sensibilizador básico que absorve a luz verde.

A equipe descobriu que a agregação das moléculas sensibilizadoras poderia ser completamente evitada utilizando a fase cristalina de uma solução sólida de van der Waals com uma proporção suficientemente baixa de PtOEP para ANNP (cerca de 1: 50000). Eles procederam à caracterização completa dos cristais obtidos e encontraram alguns insights sobre por que usar o aniquilador ANNP evitou a agregação do sensibilizador quando outros aniquiladores existentes falharam em fazê-lo em estudos anteriores. Além disso, os cristais sólidos que a equipe produziu eram altamente estáveis ​​e exibiam um desempenho excelente, como observa o Dr. Murakami: "Os resultados de nossos experimentos usando luz solar simulada indicam que a ótica de concentração solar, como lentes, não é mais necessária para converter com eficiência a luz solar terrestre."

No geral, este estudo traz os cristais de van der Waals de volta ao jogo da PUC como uma forma eficaz de criar materiais sólidos excelentes usando aniquiladores de hidrocarbonetos versáteis. "A prova de conceito que apresentamos em nosso artigo é um grande salto técnico na busca por sólidos PUC de alto desempenho, o que abrirá diversas tecnologias fotônicas no futuro", conclui o Dr. Murakami. Esperamos que pesquisas futuras neste tópico nos permitam transformar a luz com eficiência em suas formas mais úteis.

 

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