Giovedì, 26 settembre 2019

Research Highlights: Nanoantenne porose fluorescenti manipolano lo spettro solare

Pubblicata la ricerca sulla rivista Advanced Materials

Sketch of the photon upconversion process due to Porous Emitting Framework Nanoparticles

Nanoparticelle porose fluorescenti che catturano e modificano l’energia della luce emessa dal Sole, come delle piccole antenne invisibili. Gli emitting porous aromatic frameworks (ePAF) sono il nuovo materiale sviluppato dall’Università di Milano-Bicocca per cercare di non sprecare neanche un raggio luminoso (un fotone per la fisica quantistica) prodotto dalla nostra stella.

Il Sole irradia la Terra con un infinito spettro di frequenze elettromagnetiche, un arcobaleno di colori come violetto, blu, azzurro, verde, giallo, arancione e rosso. Ogni colore corrisponde ad un fotone con diversa energia, e tutti possono essere raccolti per produrre elettricità. Le tecnologie fotovoltaiche attualmente in uso non sono però in grado di sfruttare tutto lo spettro solare, e nel migliore dei casi i dispositivi arrivano a raccogliere solo due terzi dei fotoni disponibili.

Per rendere più efficienti i dispositivi il cui funzionamento si basa sull’assorbimento della luce solare (come ad esempio le celle solari) è necessario sfruttare una strategia che consenta di sfruttare la luce sprecata. Per risolvere questo problema, un team di ricercatori del Dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università degli Studi di Milano – Bicocca guidati dal Prof. Angelo Monguzzi, professore associato di Fisica Sperimentale della Materia, e dalla Prof.ssa Angiolina Comotti, professore ordinario di Chimica Industriale, ha progettato e sintetizzato delle particolari nanoparticelle porose multicomponente fluorescenti (ePAF) per migliorare l’efficienza di raccolta della luce delle celle solari. I risultati della ricerca sono stati recentemente pubblicati su Advanced Materials (Impact factor 25.809 - 2018 Journal Impact Factor, Journal Citation Reports (Clarivate Analytics, 2019)) con una Comunicazione dal titolo "Engineering Porous Emitting Framework Nanoparticles with Integrated Sensitizers for Low-Power Photon Upconversion by Triplet Fusion" (doi: 10.1002/adma.201903309).

 

Qual è il principio di funzionamento di questo nanomateriale?

«In pratica, le nanoparticelle catturano i fotoni sprecati e li convertono in fotoni ad alta energia che vengono poi facilmente assorbiti dai dispositivi. Questa trasformazione (il cosiddetto meccanismo di upconversion) funziona grazie all’interazione tra due molecole: un’antenna, che cattura l’energia all’interno della nanoparticella porosa, ed un convertitore/emettitore, che costituisce la struttura della particella stessa, che riceve l’energia dall’antenna e genera i fotoni ad alta energia» spiega il Prof. Monguzzi. «Si tratta del primo esempio di materiale solido completamente organico multicomponente per upconversion di fotoni, da integrare in dispositivi funzionanti per migliorarne la performance e favorirne l’utilizzo su larga scala come fonte di energia rinnovabile. Questo nanomateriale mostra efficienze simili ai sistemi modello in liquido, poco adatti ad essere integrati in dispositivi reali.»

 

Perché è vantaggioso inserire le molecole convertitore in nanoparticelle porose?

«In questo sistema -spiega il Prof. Monguzzi- le molecole convertitore sono artificialmente organizzate in un reticolo irregolare che permette il trasporto dell’energia assorbita e quindi la manipolazione della luce solare». «Il grande vantaggio di questo sistema- continua la Prof.ssa Comotti - è la possibilità di sfruttare l’alto grado di porosità del reticolo per incorporare la quantità desiderata di molecola antenna controllando la composizione del materiale finale che regola l’efficienza del processo di conversione».

 

L’utilizzo di questo nanomateriale può essere esteso ad altre applicazioni oltre alle tecnologie fotovoltaiche?

«La realizzazione di questo materiale complesso -conclude Monguzzi-  si basa su concetti assolutamente generali, che potranno portare allo sviluppo di nuovi nanomateriali luminescenti avanzati da impiegare in altri campi della fotonica e dell’optoelettronica, per esempio per produrre nuovi markers per bio-imaging e nuovi sensori luminosi per sostanze nocive e pericolose».