Trasporto efficiente dell'energia attraverso materiali covalenti per impalcature organiche
Nuove prospettive per lo sviluppo di materiali organici sostenibili nella fotocatalisi e nell'optoelettronica
Un team di ricerca interdisciplinare della LMU, dell'Università Tecnica di Monaco e dell'Università di Oxford ha utilizzato nuove tecniche spettroscopiche per studiare la diffusione degli stati eccitati nelle cosiddette strutture organiche covalenti (COF). Questi materiali modulari possono essere adattati individualmente alle proprietà desiderate attraverso la selezione mirata dei loro blocchi costitutivi e offrono quindi un'ampia gamma di applicazioni. I risultati dello studio mostrano per la prima volta l'efficienza con cui l'energia può essere trasportata in questi materiali cristallini e semiconduttori - un progresso decisivo per le future applicazioni optoelettroniche, come i sistemi fotovoltaici sostenibili o i diodi organici a emissione di luce (OLED).
Lo studio, pubblicato sul Journal of the American Chemical Society, è incentrato su film sottili di COF realizzati in materiale poroso e altamente cristallino. Utilizzando tecniche all'avanguardia risolte nel tempo e nello spazio, come la microscopia a fotoluminescenza e la spettroscopia terahertz, in combinazione con simulazioni teoriche, il team è riuscito a dimostrare coefficienti di diffusione eccezionalmente elevati e lunghezze di diffusione di diverse centinaia di nanometri. "Questi film sottili superano quindi di molte volte le capacità di trasporto di energia conosciute di materiali organici simili", sottolinea Laura Spies, dottoranda presso la cattedra di Chimica fisica e nanomateriali funzionali della LMU e coautrice. "Vediamo che il trasporto di energia funziona in modo eccellente anche attraverso i difetti strutturali come i confini dei grani", aggiunge il dottor Alexander Biewald, ex dottorando del gruppo di lavoro di Chimica fisica e nanoottica, secondo coautore dello studio.
Nuove prospettive per lo sviluppo di materiali organici sostenibili
Le analisi della temperatura hanno fornito ulteriori indicazioni sui meccanismi sottostanti. "I risultati indicano che sono presenti processi di trasporto sia coerenti che incoerenti", spiega il professor Frank Ortmann, coautore dello studio. La coerenza si ha quando le onde di movimento sono ordinate e indisturbate su lunghe distanze, il che consente un trasferimento di energia rapido e a bassa perdita. I processi incoerenti, invece, sono caratterizzati da movimenti disordinati e casuali che richiedono un'attivazione termica e sono spesso meno efficienti. Questi risultati contribuiscono in modo significativo alla comprensione del trasporto di energia nei COF e mostrano come la struttura molecolare e l'ordine nel cristallo possano influenzare questi processi.
"Il nostro lavoro illustra quanto sia essenziale per il successo di questi studi la collaborazione interdisciplinare e internazionale di ricercatori esperti in sintesi, analisi sperimentale e modellazione teorica resa possibile dal Cluster of Excellence e-conversion", concordano gli autori corrispondenti dello studio, il professor Achim Hartschuh e il professor Thomas Bein. I risultati aprono nuove prospettive per lo sviluppo di materiali organici sostenibili nella fotocatalisi e nell'optoelettronica, come il fotovoltaico.
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Pubblicazione originale
Laura Spies, Alexander Biewald, Laura Fuchs, Konrad Merkel, Marcello Righetto, Zehua Xu, Roman Guntermann, Rik Hooijer, Laura M. Herz, Frank Ortmann, Jenny Schneider, Thomas Bein, Achim Hartschuh; "Spatiotemporal Spectroscopy of Fast Excited-State Diffusion in 2D Covalent Organic Framework Thin Films"; Journal of the American Chemical Society, 2025-1-2
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