Un milionesimo di miliardesimo di secondo


La conversione di luce solare in energia elettrica è il principio alla base dello sviluppo del fotovoltaico. In natura è la fotosintesi clorofilliana che, impiegando architetture molecolari sofisticate e altamente efficienti, ricava energia chimica dalla conversione di luce solare, fondamentale per la nutrizione delle piante. A livello microscopico, la fotosintesi si compone di una serie di processi, primo tra tutti la raccolta della luce o light-harvesting basato su una cascata di passaggi di trasferimento di energia a cui segue una separazione di carica al centro di reazione e catalisi multi-elettrone. In entrambi i processi, quello fotovoltaico e quello di fotosintesi, è cruciale la fase iniziale di raccolta della luce in cui l’energia di eccitazione di una molecola recettrice, che quindi assorbe la luce incidente, viene trasferita a molecole più distanti per produrre energia. 

tech1In una pubblicazione1 a firma dell’Istituto nanoscienze (Nano-Cnr), dell’Istituto di fotonica e nanotecnologie (Ifn-Cnr) avvenuto in collaborazione con le università di Modena e Reggio Emilia, del Politecnico di Milano e delle università di Oldenburg e dei Paesi Baschi, del 19 marzo 2013 su Nature Communications si legge che una delle sfide chiave per il futuro sarà quella di imparare a costruire dispositivi molecolari artificiali che permettano l’immagazzinamento della radiazione solare e che possano essere usati sia per la generazione diretta di energia elettrica mediante un approccio fotovoltaico, che per il pilotaggio di combustibili che producano reazioni fotochimiche in un approccio fotosintetico. Lo studio è stato condotto sulla base di recenti osservazioni di coerenza quantistica elettronica – ossia sul moto ondulatorio degli elettroni – che hanno portato ad un cambiamento nella descrizione dei processi di trasferimento di carica sia in batteri fotosintetici che nelle piante stesse. L’affascinante prospettiva, secondo il team interessato, sarebbe quella di sfruttare gli effetti della coerenza quantistica in impianti fotovoltaici artificiali per migliorarne le prestazioni. I ricercatori hanno quindi assemblato in laboratorio il più semplice prototipo artificiale di light-harvesting lavorando su una triade supermolecolare, ossia su una macro-molecola che si compone di un recettore di luce e due unità per la raccolta della carica elettrica, che forma un centro di reazione artificiale in cui il fenomeno fondamentale è proprio il trasferimento di elettroni.

tech2Nella pubblicazione in questione inoltre si legge che i ricercatori hanno verificato che il trasferimento delle cariche elettriche dal recettore verso le altre molecole avviene con un meccanismo di coerenza quantistica, ossia tramite una sorta di oscillazione collettiva e ordinata di elettroni e nuclei atomici. Grazie a un approccio congiunto, sperimentale e teorico, si è stati in grado di costruire, con un dettaglio mai ottenuto prima, una mappa di come in alcune decine di femtosecondi (milionesimi di miliardesimo di secondi) l’eccitazione luminosa si trasformi in differenza di potenziale. 

Gli studi evidenziano che l’efficienza del processo dipende in modo determinante dalla flessibilità strutturale della molecola che collega recettore e accettore che servirà a progettare sistemi molecolari artificiali più efficienti da impiegare in nuovi dispositivi fotovoltaici e nuove celle a combustibile, mettendo in luce non solo l’importanza della trasformazione della radiazione incidente in energia, ma anche l’importanza della struttura e dei materiali impiegati nella trasformazione stessa. È proprio per questo motivo che i risultati di questa ricerca gettano nuove basi sull’osservazione sperimentale delle dinamiche di trasferimento di carica in modo da trovare una soluzione che sia in grado di massimizzare il rendimento delle celle fotovoltaiche di nuova generazione.

Chiara D’Angelo

Fonti: Quantum coherence controls the charge separation in a prototypical artificial light-harvesting system. Nat. Commun. 4:1602 doi: 10.1038/ncomms2603 (2013).