Scienza dei materiali: una nuova classe di nano materiali che catturano la luce

Ispirati dalla natura i ricercatori del PNNL hanno creato un nuovo materiale in grado di catturare l’energia luminosa. Fornisce un sistema di raccolta della luce artificiale molto efficiente con potenziali applicazioni nel fotovoltaico e nel bioimaging. La ricerca fornisce una base per superare le difficili sfide implicate nella creazione di materiali ibridi organici-inorganici funzionali gerarchici.

La natura fornisce già esempi di materiali ibridi strutturati gerarchicamente come ossa e denti. Questi materiali mostrano una precisa disposizione atomica che permette loro di ottenere innumerevoli proprietà, come maggior resistenza e tenacità. Questo nuovo materiale creato dai ricercatori riflette la complessità strutturale e funzionale dei materiali ibridi esistenti in natura.

Scienza dei materiali, creato una nuova classe di nano materiali che catturano la luce

Combina la programmabilità di una molecola sintetica con la complessità di un nanocluster a base di silicato per creare una nuova classe di nanocristalli altamente robusti. Hanno programmato questo materiale ibrido 2D per creare un sistema di raccolta della luce artificiale altamente efficiente, ottenendo un’elevata robustezza e lavorabilità osservate nei sistemi sintetici. Sebbene dietro la realizzazione di questo materiale ci sia un lavoro assai complicato, i ricercatori sono riusciti a sintetizzare questa molecola e formare queste disposizione.

Una struttura simile a una proteina alterata, chiamata peptoide, e hanno collegato una precisa struttura simile a una gabbia a base di silicati a un’estremità di essa. Hanno scoperto che, nelle giuste condizioni, potevano indurre queste molecole ad autoassemblarsi in cristalli dalla forma perfetta di nanofogli 2D. Ciò ha creato un altro strato di complessità simile a una membrana cellulare simile a quella vista nelle strutture gerarchiche naturali, pur mantenendo l’elevata stabilità e le proprietà meccaniche avanzate delle singole molecole.

Una volta creati questi nuovi nano cristalli i ricercatori hanno dimostrato le loro proprietà. Poiché combinano la forza e la stabilità del POSS con la variabilità del blocco peptoide, le possibilità di programmazione erano infinite. Un sistema in grado di catturare l’energia della luce nel modo in cui fanno i pigmenti trovati nelle piante. Le molecole donatrici assorbono la luce a una lunghezza d’onda specifica e trasferiscono l’energia luminosa alle molecole accettrici. Le molecole accettrici emettono quindi luce a una lunghezza d’onda diversa.

Questa nuova creazione ha mostrato un’efficienza di trasferimento di energia superiore al 96%, rendendolo uno dei sistemi di raccolta della luce acquosa più efficienti del suo genere finora segnalati. Sebbene questa ricerca sia ancora nelle sue fasi iniziali, le caratteristiche strutturali uniche e l’elevato trasferimento di energia dei nanocristalli 2D POSS-peptoidi hanno il potenziale per essere applicati a molti sistemi diversi, dal fotovoltaico alla fotocatalisi.

Ph. Credit: Pacific Northwest National Laboratory