Os cientistas descobriram que os electrões podem ser conduzidos através de materiais solares a velocidades próximas das mais rápidas da natureza, desafiando ideias de longa data sobre como funcionam os sistemas de energia solar.
A descoberta pode abrir novos caminhos para a concepção de tecnologia que capte a luz solar de forma mais eficiente e a converta em eletricidade.
Em experiências de laboratório que rastrearam eventos que duraram apenas 18 femtossegundos – menos de 20 quatrilionésimos de segundo – investigadores da Universidade de Cambridge observaram cargas eléctricas separadas durante uma única vibração molecular.
“Projetamos deliberadamente um sistema que, de acordo com a teoria convencional, não deveria ter transferido cobranças tão rapidamente”, disse o Dr. Pratyush Ghosh, pesquisador do St John’s College, Cambridge e primeiro autor do estudo. “De acordo com as regras de design convencionais, este sistema deveria ser lento, e é isso que torna o resultado tão interessante.
“Em vez de flutuar aleatoriamente, o elétron é lançado em uma explosão coerente. As vibrações agem como uma catapulta molecular. As vibrações não apenas acompanham o processo, elas o impulsionam ativamente.”
Observando o movimento dos elétrons na escala de tempo atômica
Um femtossegundo é um quatrilionésimo de segundo – um segundo contém cerca de oito vezes mais femtossegundos do que o número de horas que se passaram desde o início do universo. Nesta escala de tempo incrivelmente pequena, os átomos dentro da molécula estão constantemente vibrando.
Os pesquisadores observaram que os elétrons na matéria se movem na mesma velocidade que os movimentos atômicos. Como explicou Ghosh, “estamos efetivamente vendo os elétrons se movendo no mesmo relógio que os átomos”.
Pesquisa, publicada Comunicação da natureza 5 de março de 2026, Desafia suposições de design de longa data na ciência da energia solar. Até agora, os cientistas geralmente acreditavam que a transferência ultrarrápida de carga exigia grandes diferenças de energia entre a matéria e um forte acoplamento eletrônico. Estas condições podem reduzir a eficiência limitando a tensão e aumentando a perda de energia.
Como a luz cria energia nas células solares
Quando a luz atinge muitos materiais à base de carbono, ela cria um pacote de energia fortemente ligado chamado exciton – um par de elétrons e buracos. Para que dispositivos como células solares, fotodetectores e sistemas fotocatalíticos funcionem de forma eficaz, este par deve ser rapidamente separado em cargas gratuitas.
Quanto mais rápida ocorrer a divisão, menos energia será desperdiçada. Esta separação ultrarrápida desempenha um papel importante na determinação da eficiência com que os painéis solares e outras tecnologias de captação de luz convertem a luz solar em energia utilizável.
Para investigar se esta compensação é inevitável, os investigadores de Cambridge criaram deliberadamente o que esperavam ser um sistema com fraco desempenho. Eles colocaram um doador de polímero próximo a um aceitador de não-fulereno que quase não tinha diferença de energia e apenas interações fracas – condições que deveriam retardar significativamente a transferência de carga.
Em vez disso, o elétron cruzou a interface em apenas 18 femtossegundos. Este movimento é mais rápido do que muitos sistemas biológicos estudados anteriormente e corresponde ao ritmo natural do movimento nuclear. “É notável ver isto acontecer nesta escala de tempo dentro de uma vibração molecular”, disse o Dr.
Vibrações moleculares impulsionam o movimento ultrarrápido dos elétrons
Experimentos com laser ultrarrápido ajudaram a revelar o mecanismo por trás desse resultado inesperado. Quando o polímero absorve luz, ele começa a vibrar em padrões específicos de alta frequência.
Essas vibrações misturam os estados eletrônicos e efetivamente empurram os elétrons através da fronteira, criando um movimento balístico direcional em vez de uma difusão lenta e aleatória.
Uma vez que o elétron atinge a molécula aceitadora, ele desencadeia uma nova vibração harmônica. Este sinal distinto é raramente observado na matéria orgânica e indica a rapidez com que ocorre a migração. “Essa vibração harmônica é uma impressão digital clara de quão rápida e claramente a transferência ocorre.
“Nossos resultados mostram que a velocidade final de separação de carga não é determinada apenas pela estrutura eletrônica estática, “disse o Dr. Ghosh “Depende de como a molécula vibra. Isso nos dá um novo princípio de design. De certa forma, nos dá um novo livro de regras. Em vez de lutar contra as vibrações moleculares, podemos aprender como usar as corretas. “
Implicações para energia solar e captação de luz
A descoberta oferece uma nova estratégia para projetar uma tecnologia de coleta de luz mais eficiente. A separação ultrarrápida de carga é fundamental para sistemas como células solares orgânicas, fotodetectores e dispositivos fotocatalíticos que podem produzir combustível de hidrogênio limpo. Um processo semelhante ocorre naturalmente durante a fotossíntese.
O professor Akshay Rao, professor de física do Laboratório Cavendish e ex-pesquisador associado do St John’s College, que foi um dos co-autores do estudo, disse: “Em vez de tentar suprimir o movimento molecular, podemos agora projetar materiais que o utilizam – transformando a vibração de uma restrição em uma ferramenta.”
Laboratório Cavendish e cientistas do Departamento de Química da Universidade de Cambridge, Yusuf Hamid, no projeto. Rakesh Arul, pesquisador do St. John’s College, também esteve envolvido. Colaboradores da Itália, Suécia, EUA, Polónia e Bélgica também contribuíram para a investigação.
