Os cientistas descobriram que os electrões podem avançar através de materiais solares quase às velocidades mais rápidas permitidas pela natureza, um resultado que desafia ideias há muito aceites sobre como funcionam os sistemas solares.
A descoberta poderá abrir novos caminhos para a concepção de tecnologias que capturem a luz solar de forma mais eficiente e a convertam em eletricidade.
Em experiências de laboratório que rastrearam eventos que duraram apenas 18 femtossegundos (menos de 20 trilionésimos de segundo), investigadores da Universidade de Cambridge observaram a separação de cargas durante as vibrações de uma única molécula.
“Projetamos deliberadamente um sistema que, de acordo com a teoria convencional, não deveria transferir carga 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 tradicionais, este sistema deveria ser lento, e é por isso que os resultados são tão impressionantes.
“Em vez de flutuarem aleatoriamente, os elétrons são disparados em uma explosão coerente. As vibrações são como catapultas moleculares. As vibrações não apenas acompanham o processo, mas o impulsionam ativamente.”
Observe o movimento dos elétrons na escala de tempo atômico
Um femtossegundo é um trilionésimo de segundo – a quantidade de femtossegundos em um segundo é aproximadamente oito vezes a quantidade de tempo decorrido desde a criação do universo. Nesta escala de tempo incrivelmente pequena, os átomos dentro de uma molécula estão constantemente vibrando.
Os pesquisadores observaram que os elétrons se moviam entre os materiais essencialmente na mesma velocidade que os átomos. Como explica Ghosh: “Estamos efetivamente observando a migração dos elétrons no mesmo relógio que os próprios átomos”.
O estudo foi publicado em comunicações da natureza 5 de março de 2026 Desafiando suposições de design de longa data na ciência da energia solar. Até agora, os cientistas geralmente acreditavam que a transferência ultrarrápida de carga exigia enormes diferenças de energia entre os materiais e um forte acoplamento eletrônico. Estas condições reduzem a eficiência, limitando a tensão e aumentando as perdas de energia.
Como a luz cria energia em materiais 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 lacunas. Para que dispositivos como células solares, fotodetectores e sistemas fotocatalíticos funcionem de forma eficaz, este par deve separar-se rapidamente em cargas gratuitas.
Quanto mais rápida ocorrer a divisão, menos energia será desperdiçada. Esta separação ultrarrápida desempenha um papel fundamental na determinação da eficiência com que os painéis solares e outras tecnologias de captação de luz convertem a luz solar em eletricidade utilizável.
Para investigar se esta compensação era inevitável, os investigadores de Cambridge criaram intencionalmente um sistema que acreditavam ter um desempenho fraco. Eles colocaram o doador de polímero próximo a um aceitador de não fulereno com quase nenhuma diferença de energia e apenas uma interação fraca – uma condição que deveria desacelerar significativamente a transferência de carga.
Em vez disso, os elétrons cruzaram a interface em apenas 18 femtossegundos. Esta velocidade é mais rápida do que muitos sistemas orgânicos estudados anteriormente e é consistente com os ritmos naturais do movimento atômico. “É notável ver isso acontecendo nesta escala de tempo dentro de uma única vibração molecular”, disse o Dr. Ghosh.
Vibrações moleculares impulsionam o movimento ultrarrápido dos elétrons
Experimentos com laser ultrarrápido ajudam a revelar o mecanismo por trás desse resultado inesperado. Quando um polímero absorve luz, ele começa a vibrar em um padrão específico de alta frequência.
Essas vibrações misturam estados eletrônicos e empurram efetivamente os elétrons através das fronteiras, produzindo movimento balístico direcional em vez de difusão lenta e aleatória.
Uma vez que o elétron atinge a molécula aceitadora, ele desencadeia uma nova vibração coerente. Este sinal único raramente é observado em materiais orgânicos e mostra a rapidez com que a transferência ocorre. “Esta vibração coerente é uma impressão clara da rapidez e da limpeza com que 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. “Depende de como a molécula vibra. Isso nos dá um novo princípio de design. De certa forma, isso nos dá um novo livro de regras. Podemos aprender como usar as vibrações moleculares corretas em vez de trabalhar contra elas.”
Impacto na energia solar e captação de luz
A descoberta sugere uma nova estratégia para projetar uma tecnologia de captação de luz mais eficiente. A separação ultrarrápida de carga é a base 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, coautor do estudo, professor de física no Laboratório Cavendish e ex-pesquisador associado do St John’s College, disse: “Em vez de tentar suprimir o movimento molecular, podemos agora projetar materiais que exploram o movimento molecular – transformando as vibrações de uma limitação em uma ferramenta.”
O projeto envolve cientistas do Laboratório Cavendish e do Departamento de Química Yusuf Hamied da Universidade de Cambridge, incluindo o Dr. Rakesh Arul, pesquisador do St John’s College. Colaboradores na Itália, Suécia, Estados Unidos, Polónia e Bélgica também contribuíram para o estudo.
