La transferencia de carga, proceso que ocurre cuando los electrones excitados por la luz saltan entre moléculas, es fundamental para el funcionamiento de las células solares, la fotosíntesis y los fotocatalizadores.
Durante años, los científicos consideraron que este proceso requería grandes diferencias de energía y enlaces moleculares fuertes, condiciones que a menudo ralentizan los dispositivos. Sin embargo, un nuevo estudio revela que es posible “impulsar” los electrones a través de los materiales solares a una velocidad cercana al límite que permite la naturaleza. Este hallazgo, sorprendente, desafía las ideas convencionales sobre el funcionamiento de los sistemas de energía solar y podría allanar el camino para el diseño de métodos más eficientes para capturar la luz solar y convertirla en electricidad.
La importancia de este avance radica en que, cuando la luz incide sobre muchos materiales a base de carbono, se crea un excitón, una pareja estrechamente ligada de un electrón y su “hueco” complementario. Para el correcto funcionamiento de las células solares, los detectores y los fotocatalizadores, es crucial que esta pareja se separe rápidamente en cargas libres. Cuanto más rápido ocurra esta separación, menor será la energía desperdiciada. Esta separación ultrarrápida es un paso clave para determinar la eficacia con la que los paneles solares y otros dispositivos de captación de luz transforman la energía solar en energía utilizable.
Para determinar si la compensación habitual entre velocidad y eficiencia era inevitable, investigadores del St John’s College, Cambridge, construyeron un sistema deliberadamente “débil”. En lugar de depender de fuertes enlaces donador-receptor, unieron un aceptor de perileno diimida a un donador de polímero de baja banda prohibida, creando una unión modelo con una pequeña diferencia de energía.
Sorprendentemente, esta configuración aparentemente frágil logró una transferencia de carga en tan solo 18 femtosegundos, más rápido que la mayoría de los sistemas orgánicos estudiados hasta la fecha y a la misma escala de tiempo que el movimiento de los propios átomos.
De hecho, el proceso provocó vibraciones precisamente temporizadas, ondas que se propagaron a través de la superficie del aceptor cada 26 femtosegundos.
Según el Dr. Pratyush Ghosh, investigador del St John’s College, Cambridge, y primer autor del estudio: “Diseñamos deliberadamente un sistema que, según la teoría convencional, no debería haber transferido la carga tan rápido. Según las reglas de diseño convencionales, este sistema debería haber sido lento, y eso es lo que hace que el resultado sea tan sorprendente.”
“En lugar de derivar aleatoriamente, el electrón se lanza en una sola ráfaga coherente. La vibración actúa como una catapulta molecular. Las vibraciones no solo acompañan el proceso, sino que lo impulsan activamente.”
Los investigadores observaron la separación de la carga dentro del ritmo de una sola vibración molecular, un proceso que se desarrolla tan rápido como el movimiento de la propia molécula.
Experimentos con láseres ultrarrápidos revelaron el secreto: después de la excitación por la luz, el polímero comienza a vibrar en movimientos rápidos y de alta frecuencia, alterando sus estados electrónicos.
Esto proporciona al electrón un “impulso” decisivo a través de la barrera. En lugar de desplazarse lentamente como un paseo aleatorio, el electrón avanza rápidamente en una trayectoria balística clara, guiado por el propio ritmo interno de la molécula.
Una vez que el electrón aterriza en la molécula aceptora, desencadena una nueva vibración sincronizada, una especie de “eco” molecular de la transferencia. Este movimiento coherente es una huella digital poco común de la separación de carga ultrarrápida y solo se ha observado en un puñado de materiales orgánicos.
El Dr. Ghosh afirmó: “Esa vibración coherente es una clara huella digital de la rapidez y la limpieza con la que se produce la transferencia.”
“Nuestros resultados muestran que la velocidad máxima de separación de carga no está determinada únicamente por la estructura electrónica estática. Depende de cómo vibran las moléculas. Esto nos proporciona un nuevo principio de diseño. En cierto modo, nos ofrece un nuevo manual de instrucciones. En lugar de luchar contra las vibraciones moleculares, podemos aprender a utilizar las correctas.”
El profesor Akshay Rao, profesor de Física en el Cavendish Laboratory y antiguo investigador asociado del St John’s College, y coautor del estudio, declaró: “En lugar de intentar suprimir el movimiento molecular, ahora podemos diseñar materiales que lo utilicen, transformando las vibraciones de una limitación en una herramienta.”
Referencia del artículo:
- Ghosh, P., Royakkers, J., Londi, G. Et al. Vibronically assisted sub-cycle charge transfer at a non-fullerene acceptor heterojunction. Nat Commun 17, 2165 (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-70292-8