Los científicos demuestran cómo los tintes orgánicos funcionan como antenas para ayudar a aprovechar, convertir la luz
Un equipo internacional de científicos ha demostrado un gran avance en el diseño y la función de las nanopartículas que podrían hacer que los paneles solares sean más eficientes mediante la conversión de la luz usualmente omitida por las células solares en energía utilizable.
El equipo, dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (Berkeley Lab), demostró cómo recubrir partículas diminutas con tintes orgánicos aumenta en gran medida su capacidad de capturar la luz infrarroja cercana y volver a emitir la luz en el espectro de luz visible. que también podría ser útil para imágenes biológicas.
Una vez que entendieron el mecanismo que permite a los colorantes en nanopartículas funcionar como antenas para reunir 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 Nature Photonics .
«Estos tintes orgánicos capturan amplias franjas de luz infrarroja cercana», dijo Bruce Cohen, científico de Berkeley Lab’s Molecular Foundry 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 del infrarrojo cercano a menudo no se utilizan en tecnologías solares que se enfocan en la luz visible», agregó Cohen, «estas nanopartículas sensibilizadas con colorante convierten eficientemente la luz infrarroja cercana en luz visible, aumentan la posibilidad de capturar un buen parte del espectro solar que de lo contrario se desperdicia, y la integración en las tecnologías solares existentes «.
Los investigadores descubrieron que el propio tinte amplifica el brillo de la luz reemitida unas 33,000 veces, y su interacción con las nanopartículas aumenta su eficacia al convertir la luz unas 100 veces.
Un átomo de erbio (rojo) en un nanocristal emite luz verde visible a través de un proceso conocido como conversión ascendente que podría conducir al desarrollo de células solares mejoradas que capturan alguna energía solar previamente perdida. Los científicos descubrieron que recubrir las partículas con colorantes (moléculas azul y púrpura a la derecha) puede mejorar en gran medida esta propiedad de conversión de la luz. (Crédito: Berkeley Lab)
Cohen, Schuck y Chan habían trabajado durante aproximadamente una década para diseñar, fabricar y estudiar las nanopartículas de conversión ascendente (UCNP) utilizadas en este estudio. Los UCNP absorben la luz infrarroja cercana y la convierten eficientemente en luz visible, una propiedad inusual debido a las combinaciones de iones de metal lantánidos en los nanocristales. Un estudio de 2012 sugirió que los colorantes en la superficie de las UCNP mejoran drásticamente las propiedades de conversión de la luz de las partículas, pero el mecanismo sigue siendo un misterio.
«Hubo mucha emoción y luego mucha confusión», dijo Cohen. «Nos tenía a nosotros rascándonos la cabeza».
Si bien muchos investigadores intentaron reproducir el estudio en los años siguientes, «Pocas personas pudieron hacer funcionar el procedimiento publicado», agregó Chan. «Los tintes parecían degradarse casi inmediatamente después de la exposición a la luz, y nadie sabía exactamente cómo los tintes interactuaban con la superficie de las nanopartículas».
La combinación única de experiencia y capacidades en Molecular Foundry, que incluyó trabajo teórico y una combinación de experimentos, conocimientos de química y técnicas de síntesis perfeccionadas, hizo posible el último estudio, señaló. «Es uno de esos proyectos que sería difícil de hacer en otro lado».
Experimentos dirigidos por David Garfield, un doctor de UC Berkeley estudiante, y Nicholas Borys, un científico del proyecto Molecular Foundry, mostró un efecto simbiótico entre el colorante y los metales lantánidos en las nanopartículas.
La proximidad de los colorantes a los lantánidos en las partículas mejora 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 de luz infrarroja, conocidas 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 la luz de las partículas confirmaba la presencia de este estado de triplete, y ayudaba a informar a los científicos sobre lo que estaba en funcionamiento.
«Los picos (en la emisión de tinte y la absorción de UCNP) coincidían casi exactamente», dijo Cohen.
Luego descubrieron que al aumentar la concentración de metales lantánidos en las nanopartículas, del 22 por ciento al 52 por ciento, podían aumentar este efecto triplete para mejorar las propiedades de conversión de luz de las nanopartículas.
«Los metales están promoviendo los colorantes a sus estados de triplete, lo que ayuda a explicar tanto la eficiencia de la transferencia de energía como la inestabilidad de los colorantes, ya que los trillizos tienden a degradarse en el aire», dijo Cohen.
Las nanopartículas, que miden unos 12 nanómetros o milmillonésimas de metro, podrían potencialmente aplicarse a la superficie de las células solares para ayudarlas a capturar más luz para convertirla en electricidad, dijo Schuck.
«Los tintes actúan como concentradores solares a escala molecular, canalizando la energía de los fotones del infrarrojo cercano a las nanopartículas», dijo Schuck. Mientras tanto, las propias partículas son en gran parte transparentes a la luz visible, por lo que permitirían el paso de otra luz utilizable, señaló.
Otro uso potencial es introducir las nanopartículas en las células para ayudar a etiquetar los componentes celulares para los estudios de microscopía óptica. Podrían usarse para obtener 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, dijo Cohen, ya que actualmente son inestables y se estudiaron en un entorno de nitrógeno para evitar la exposición al aire.
Se necesita más I + D para evaluar posibles recubrimientos protectores para las partículas, como diferentes polímeros que sirven para encapsular las partículas. «Tenemos incluso mejores diseños en mente en el futuro», dijo.
The Molecular Foundry es una Oficina de Usuario de la Oficina de Ciencias de DOE.
También participaron en este estudio investigadores de UC Berkeley, el Instituto de Investigación de Tecnología Química de Corea, la Universidad Sungkyunkwan en Corea del Sur y el Instituto Kavli Energy NanoScience de la Universidad de Berkeley. Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencia del DOE; la National Science Foundation; el Consejo de Becas de China; y el Ministerio de Ciencia, Tecnología de la Información y la Comunicación y Planificación Futura de Corea del Sur.
Materiales proporcionados por newscenter.lbl.gov
