Det metallorganiska ramverket (MOF) innehåller zirkoniumbaserade noder (lila cuboctahedra) anslutna med kolbaserade länkmolekyler (röda och gula stavar) för att bilda en porös struktur med två stora hålrum (gula och gröna sfärer) i det kristallina materialet. Den första länken absorberar ultraviolett ljus (315 nm) och överför sedan energin som blått ljus (430 nm) till den andra länken, som därefter avger energin som grönt ljus (530 nm). Kredit:KAUST; Osama Shekhah
Inspiration från fotosyntes, KAUST -forskare har utvecklat ett nytt snurr på organiska metallramverk (MOF) som kan hjälpa solceller att samla mer energi från solen.
En MOF är ett slags porös kristall tillverkad av ett galler av metallbaserade noder anslutna med kolbaserade länkmolekyler. MOF är särskilt mångsidiga material eftersom forskare enkelt kan designa och finjustera sina egenskaper genom att ändra länkar eller noder. MOF undersöks redan som katalysatorer och för användning i applikationer, såsom gasseparation, avkänning och lagring.
En ny MOF utvecklad på KAUST efterliknar ett avgörande steg för energiöverföring i fotosyntes, den naturliga process som växter använder för att samla in ljus och omvandla det till kemisk energi.
De blekgula MOF-kristallerna innehåller 12-koordinerade zirkoniumbaserade kluster och två olika organiska länkar:en bensimidazolmolekyl som kallas BI, och en tiadiazol som kallas TD. De två länkarna utformades inte bara för att ha liknande storlek och form, men viktigast av allt att ha en mycket stark spektral överlappning, en nyckelfunktion för effektiva energioverföringsprocesser.
Forskarna lyste ultraviolett ljus med en våglängd på 315 nanometer vid MOF. De fann att dess BI -länkare absorberade ljuset och sedan snabbt avgav energin vid en längre våglängd på 430 nanometer, motsvarande blått ljus. TD -länken absorberade effektivt detta blå ljus, och sände ut energin igen som grönt ljus med en våglängd på 530 nanometer.
Forskarna övervakade energioverföringsprocessen med hjälp av en teknik som kallas tidskorrelerad enkelfotonräkning, som kan spåra utsläpp av ljus över otroligt korta tidsskalor. Detta avslöjade att energioverföringsprocessen mellan de två länkarna tog ungefär 100 pikosekunder, eller hundra biljondelar av en sekund. "Det är utmanande att designa och syntetisera ett sådant system för lätt skörd och att observera detta snabba energiöverföringsfenomen, "säger teammedlem Jiangtao Jia från KAUST's Advanced Membranes and Porous Materials Center.
"Men tack vare KAUSTs starka forskningsinfrastruktur, vi har en av de bästa anläggningarna i världen för att bestämma fotoluminescens livslängd till picosekundens tidsskala, "tillägger teammedlem Luis Gutieŕrez-Arzaluz.
Detta gjorde att laget kunde konstatera att energioverföringsprocessen hade en effektivitet på över 90 procent, vilket gör det till en av de mest effektiva energiöverförings-MOF:n hittills. "I framtiden, denna avsiktliga kontroll på molekylär nivå kan bana väg för design av mycket effektiva artificiella fotosyntessystem baserade på MOF -material, säger Jia.
