I primissimi istanti della conversione in energia rilevati nel corso di uno studio dall’Istituto Nanoscienze e dall’Istituto di fotonica e nanotecnologie del Cnr. La ricerca pubblicata sulla rivista «Science»
•• Può essere paragonato ad un mini «big bang», l’esplosione iniziale che ha dato origine all’universo. Siamo nel campo delle nano-dimensioni ma l’effetto fantasmagorico è certamente paragonabile, con un bel po’ di fantasia. Parliamo del processo di trasformazione della luce del sole in corrente elettrica in una cella solare organica. Come avviene questo processo? E’ quello che hanno potuto registrare i ricercatori del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr) realizzando un filmato in tempo reale, su una scala senza precedenti: milionesimi di miliardesimi di secondo. Lo studio avanzato condotto dall’Istituto Nanoscienze del Cnr a Modena (Nano-Cnr) e dall’Istituto di fotonica e nanotecnologie (Ifn-Cnr) a Milano, dimostra che i primissimi istanti della foto-conversione sono governati dalla natura quantistica di elettroni e nuclei, coinvolti in oscillazioni coerenti in tempi ultra-veloci. La ricerca, pubblicata sulla rivista «Science», è stata condotta in collaborazione con Politecnico di Milano, Università di Modena e Reggio Emilia e con colleghi tedeschi, francesi e spagnoli.
Tra gli elementi che hanno reso possibile il fenomeno le celle solari organiche, più economiche e versatili dei rigidi pannelli solari al silicio. Queste celle vengono indicate tra le tecnologie chiave per la produzione sostenibile e pulita di energia rinnovabile. “Al loro interno sono presenti dei polimeri che assorbono la luce mettendo in movimento elettroni – ha spiegato Carlo Andrea Rozzi di Nano-Cnr presentando la ricerca – e delle macro-molecole formate da 60 atomi di carbonio, note come fullereni, che raccolgono carica elettrica”.
“Lo scopo era quello di capire come si innesca tra le due molecole il trasferimento di elettroni che dà luogo alla corrente, un fenomeno che avviene a velocità talmente sbalorditive da renderlo fino ad ora sperimentalmente inaccessibile”, ha aggiunto Giulio Cerullo del Politecnico di Milano e di Ifn-Cnr. “Ora, finalmente, siamo in grado di osservarlo e catturarne i singoli fotogrammi grazie a flash di luce laser ultraveloci, una tecnologia sviluppata presso il Dipartimento di fisica del Politecnico”.
Per studiare cosa accade in un tempo di poche decine di femtosecondi (milionesimo di miliardesimo di secondo) i ricercatori hanno combinato gli esperimenti di spettroscopia laser ultraveloce, coordinati da Cerullo, con una serie di simulazioni al calcolatore, coordinate da Rozzi. “Abbiamo simulato la dinamica del trasferimento di elettroni tra polimero e fullerene tenendo conto della natura quantistica della materia”, spiega Elisa Molinari, fisica dell’Università di Modena e Reggio Emilia e direttrice del polo modenese di Nano-Cnr. “Il filmato così ottenuto è sorprendente. Calcoli ed esperimenti indicano che il big-bang dell’intero processo di fotoconversione avviene grazie all’oscillazione coordinata di elettroni e nuclei atomici, un comportamento che i fisici chiamano coerenza quantistica, senza il quale non si darebbe avvio al trasferimento di carica e non si otterrebbe nessuna corrente elettrica. Crediamo che questi risultati potranno guidare la costruzione di nuovi materiali artificiali capaci di convertire la luce solare in energia con la massima efficienza”, ha concluso la ricercatrice.
