Ett team av forskare vid The University of Texas i Austin och University of California, Riverside har hittat ett sätt att producera ett fenomen med långa hypoteser - överföringen av energi mellan kisel och organiskt, kolbaserade molekyler – i ett genombrott som har konsekvenser för informationslagring i kvantberäkningar, solenergiomvandling och medicinsk bildbehandling. Forskningen beskrivs i en artikel som publiceras idag i tidskriften Naturkemi .

Kisel är ett av planetens mest förekommande material och en kritisk komponent i allt från halvledarna som driver våra datorer till cellerna som används i nästan alla solenergipaneler. För alla dess förmågor, dock, kisel har vissa problem när det gäller att omvandla ljus till elektricitet. Olika färger av ljus består av fotoner, partiklar som bär ljusets energi. Kisel kan effektivt omvandla röda fotoner till elektricitet, men med blå fotoner, som bär dubbelt så mycket energi som röda fotoner, kisel förlorar det mesta av sin energi som värme.

Den nya upptäckten ger forskare ett sätt att öka kiselns effektivitet genom att para ihop den med ett kolbaserat material som omvandlar blå fotoner till par röda fotoner som kan användas mer effektivt av kisel. Detta hybridmaterial kan också finjusteras för att fungera omvänt, tar in rött ljus och omvandlar det till blått ljus, som har konsekvenser för medicinska behandlingar och kvantberäkning.

"Den organiska molekylen vi har parat ihop kisel med är en typ av kolaska som kallas antracen. Det är i grunden sot, sa Sean Roberts, en biträdande professor i kemi vid UT Austin. Uppsatsen beskriver en metod för att kemiskt koppla kisel till antracen, skapa en molekylär kraftledning som tillåter energi att överföra mellan kisel och askliknande ämne. "Vi kan nu finjustera detta material för att reagera på olika våglängder av ljus. Tänk dig, för kvantberäkning, att kunna finjustera och optimera ett material för att förvandla en blå foton till två röda fotoner eller två röda fotoner till en blå. Det är perfekt för informationslagring."

I fyra decennier har Forskare har antagit att parning av kisel med en typ av organiskt material som bättre absorberar blått och grönt ljus effektivt kan vara nyckeln till att förbättra kiselns förmåga att omvandla ljus till elektricitet. Men att helt enkelt lägga de två materialen i lager medförde aldrig den förväntade "spin-triplett-excitonöverföringen, "en särskild typ av energiöverföring från det kolbaserade materialet till kisel, behövs för att uppnå detta mål. Roberts och materialforskare vid UC Riverside beskriver hur de bröt igenom återvändsgränden med små kemikalietrådar som kopplar kiselnanokristaller till antracen, producerar den förutspådda energiöverföringen mellan dem för första gången.

"Utmaningen har varit att få ut par av exciterade elektroner ur dessa organiska material och till kisel. Det kan inte göras bara genom att deponera den ena ovanpå den andra, "Roberts sa." Det tar att bygga en ny typ av kemiskt gränssnitt mellan kisel och detta material för att de ska kunna kommunicera elektroniskt. "

Roberts och hans doktorand Emily Raulerson mätte effekten i en specialdesignad molekyl som fäster på en nanokristall av kisel, innovationen av kollaboratörerna Ming Lee Tang, Lorenzo Mangolini och Pan Xia från UC Riverside. Med hjälp av en ultrasnabb laser, Roberts och Raulerson fann att den nya molekylära tråden mellan de två materialen inte bara var snabb, motståndskraftig och effektiv, den skulle effektivt kunna överföra cirka 90 % av energin från nanokristallen till molekylen.

"Vi kan använda denna kemi för att skapa material som absorberar och avger alla färger av ljus, sa Raulerson, vem säger det, med ytterligare finjustering, liknande kisel -nanokristaller bundna till en molekyl kan generera en mängd olika applikationer, från batterilösa mörkerseendeglasögon till ny miniatyrelektronik.

Andra mycket effektiva processer av detta slag, kallad fotonuppkonvertering, tidigare förlitat sig på giftiga material. Eftersom det nya tillvägagångssättet uteslutande använder giftfria material, det öppnar dörren för tillämpningar inom humanmedicin, bioimaging och miljömässigt hållbar teknik, något som Roberts och kollegan UT Austin-kemist Michael Rose arbetar mot.

På UC Riverside, Tangs labb var banbrytande för hur man fäster de organiska molekylerna till kiselnanopartiklarna, och Mangolinis grupp konstruerade kisel -nanokristaller.

"Nyheten är verkligen hur man får de två delarna av denna struktur - de organiska molekylerna och de kvantbegränsade kisel -nanokristallerna - att fungera tillsammans, sa Mangolini, en docent i maskinteknik. "Vi är den första gruppen som verkligen sätter ihop de två."