Químicos de la Universidad de Rice y la Universidad de Texas en Austin descubrieron que más no siempre es mejor cuando se trata de empaquetar moléculas receptoras de carga en la superficie de nanocristales semiconductores.

La combinación de componentes orgánicos e inorgánicos en nanomateriales híbridos se puede adaptar para capturar, detectar, convertir o controlar la luz de formas únicas. El interés en estos materiales es alto y el ritmo de publicación científica sobre ellos se ha multiplicado por más de diez en los últimos 20 años. Por ejemplo, podrían mejorar potencialmente la eficiencia de los sistemas de energía solar mediante la recolección de energía de las longitudes de onda de la luz solar, como el infrarrojo, que los paneles solares fotovoltaicos tradicionales no detectan.

Para crear los materiales, los químicos combinan nanocristales de semiconductores que capturan la luz con moléculas « aceptoras de carga » que actúan como ligandos, uniéndose a la superficie del semiconductor y transportando electrones fuera de los nanocristales.

« Los sistemas de nanocristales más estudiados presentan altas concentraciones de aceptores de carga que están unidos directamente a los cristales semiconductores », dijo el químico de Rice Peter Rossky, coautor de un estudio reciente en el Journal of the American Chemical Society. « En general, las personas intentan maximizar la concentración superficial de aceptores de carga porque esperan que la tasa de transferencia de electrones aumente continuamente con la concentración de aceptores superficiales ».

Algunos experimentos publicados han demostrado que las tasas de transferencia de electrones aumentan inicialmente con la concentración del aceptor de superficie y luego caen si las concentraciones de superficie continúan aumentando. Rossky y el coautor para la correspondencia Sean Roberts, profesor asociado de química en UT Austin, sabían que los orbitales moleculares de los ligandos podían interactuar de formas que podrían influir en la transferencia de carga, y esperaban que llegara un punto en el que empaquetar más ligandos en la superficie de un cristal dar lugar a tales interacciones.

Rossky y Roberts son co-investigadores principales del Center for Adapting Flaws into Features (CAFF) con sede en Rice, un programa multiuniversitario respaldado por la National Science Foundation (NSF) que busca explotar defectos químicos microscópicos en los materiales para fabricar catalizadores y recubrimientos innovadores. y electronica

Para probar su idea, Rossky, Roberts y sus colegas de CAFF estudiaron sistemáticamente materiales híbridos que contenían nanocristales de sulfuro de plomo y concentraciones variables de un tinte orgánico muy estudiado llamado diimida de perileno (PDI). Los experimentos mostraron que el aumento continuo de la concentración de PDI en la superficie de los nanocristales finalmente produjo una caída abrupta en las tasas de transferencia de electrones.

Rossky dijo que la clave del comportamiento era el efecto que tienen las interacciones ligando-ligando entre las moléculas de PDI en las geometrías de los agregados de PDI en las superficies de cristal. Recopilar evidencia para mostrar el impacto de estos efectos de agregación requirió la experiencia de cada grupo de investigación y una cuidadosa combinación de experimentos espectroscópicos, cálculos de estructura electrónica y simulaciones de dinámica molecular.

Roberts dijo : « Nuestros resultados demuestran la importancia de considerar las interacciones ligando-ligando cuando se diseñan materiales de nanocristales híbridos activados por luz para la separación de carga. Mostramos que la agregación de ligandos definitivamente puede ralentizar la transferencia de electrones en algunas circunstancias. Pero curiosamente, nuestros modelos computacionales predicen que la agregación de ligandos puede también acelerar la transferencia de electrones en otras circunstancias ».

Rossky es la Cátedra Harry C. y Olga K. Wiess de Rice en Ciencias Naturales y profesora de química y de ingeniería química y biomolecular.

La investigación fue apoyada por la NSF (CHE-2124983, CNS-1338099, DGE-1610403) y la Fundación Welch (F-1885, F-1188). El apoyo para la instrumentación ha sido proporcionado por los Institutos Nacionales de Salud (OD021508); Advanced Micro Devices Inc. y el Centro de Informática de Investigación de Rice brindaron soporte para computación de alto rendimiento.