Descubrieron una nueva forma en que las moléculas orgánicas pueden imitar la mecánica cuántica de los materiales inorgánicos, convirtiendo la luz en electricidad con una eficiencia extraordinaria
Fecha: 15 de octubre de 2025
Fuente: Universidad de Cambridge
Resumen: Científicos de la Universidad de Cambridge han descubierto un sorprendente efecto cuántico en el interior de un material orgánico, algo que antes se creía imposible fuera de los metales. El equipo descubrió que una molécula especial puede convertir la luz en electricidad con una eficiencia increíble, utilizando un comportamiento cuántico oculto nunca antes visto en dichos materiales. Este avance podría dar lugar a paneles solares más sencillos, ligeros y económicos.Compartir:
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Investigadores descubrieron una nueva forma en que las moléculas orgánicas pueden imitar la mecánica cuántica de los materiales inorgánicos, convirtiendo la luz en electricidad con una eficiencia extraordinaria. Este hallazgo podría revolucionar la energía solar al permitir la creación de paneles ultraligeros de un solo material. Crédito: AI/ScienceDaily.com
En un avance que conecta la ciencia moderna con ideas exploradas por primera vez hace un siglo, investigadores han presenciado un fenómeno sorprendente que antes solo se creía posible en óxidos metálicos inorgánicos que aparecen dentro de una molécula semiconductora orgánica brillante. Liderados por científicos de la Universidad de Cambridge, el descubrimiento revela una forma nueva y eficiente de capturar la luz y convertirla en electricidad. Este hallazgo podría revolucionar el futuro de la tecnología solar y la electrónica, allanando el camino para paneles solares ligeros y asequibles fabricados con un solo material.
El estudio se centra en un semiconductor orgánico de espín radical conocido como P3TTM. En el núcleo de cada molécula se encuentra un electrón desapareado, lo que le confiere un comportamiento magnético y electrónico distintivo. El trabajo es fruto de la colaboración entre el grupo de química sintética del profesor Hugo Bronstein, del Departamento de Química Yusuf Hamied, y el equipo de física de semiconductores del profesor Sir Richard Friend, del mismo Departamento. Estos investigadores diseñaron previamente esta familia de moléculas por su brillante luminiscencia, útil en LED orgánicos, pero el nuevo artículo publicado en Nature Materials revela algo inesperado: cuando las moléculas se encuentran muy juntas, sus electrones desapareados interactúan de forma muy similar a los de un aislante Mott-Hubbard.
"Esta es la verdadera magia", explicó Biwen Li, investigador principal del Laboratorio Cavendish. "En la mayoría de los materiales orgánicos, los electrones están apareados y no interactúan con sus vecinos. Pero en nuestro sistema, cuando las moléculas se compactan, la interacción entre los electrones desapareados en sitios vecinos los anima a alinearse alternativamente hacia arriba y hacia abajo, un sello distintivo del comportamiento de Mott-Hubbard. Al absorber luz, uno de estos electrones salta a su vecino más cercano, creando cargas positivas y negativas que pueden extraerse para generar una fotocorriente (electricidad)".
Para probar este efecto, el equipo construyó una célula solar utilizando una película delgada de P3TTM. Al exponerse a la luz, el dispositivo alcanzó una eficiencia de recolección de carga casi perfecta, lo que significa que casi cada fotón entrante se convirtió en corriente eléctrica utilizable. Las células solares orgánicas tradicionales requieren dos materiales: uno para donar electrones y otro para aceptarlos, y esta interfaz limita la eficiencia. En cambio, estas nuevas moléculas realizan todo el proceso de conversión dentro de una sola sustancia. Tras la absorción de un fotón, un electrón se desplaza naturalmente a una molécula vecina del mismo tipo, creando una separación de cargas. La pequeña cantidad de energía necesaria para este proceso, conocida como la "U de Hubbard", representa el coste electrostático de colocar dos electrones en la misma molécula con carga negativa.
El Dr. Petri Murto, del Departamento de Química Yusuf Hamied, desarrolló estructuras moleculares que permiten ajustar el contacto entre moléculas y el balance energético, regulado por la física de Mott-Hubbard, necesario para lograr la separación de cargas. Este avance significa que podría ser posible fabricar células solares a partir de un único material ligero y económico.
El descubrimiento tiene una profunda trascendencia histórica. El autor principal del artículo, el profesor Sir Richard Friend, interactuó con Sir Nevill Mott al inicio de su carrera. Este hallazgo se publica el mismo año que se conmemora el 120.º aniversario del nacimiento de Mott, rindiendo un merecido homenaje al legendario físico, cuyo trabajo sobre las interacciones electrónicas en sistemas desordenados sentó las bases de la física moderna de la materia condensada.
"Es como cerrar el círculo", dijo el profesor Friend. "Las ideas de Mott fueron fundamentales para mi carrera y para nuestra comprensión de los semiconductores. Ver ahora cómo estas profundas reglas de la mecánica cuántica se manifiestan en una clase completamente nueva de materiales orgánicos y aprovecharlas para la captación de luz es realmente especial".
«No solo estamos mejorando diseños antiguos», afirmó el profesor Bronstein. «Estamos escribiendo un nuevo capítulo en el libro de texto, demostrando que los materiales orgánicos son capaces de generar cargas por sí mismos».
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Fuente de la historia:
Materiales proporcionados por la Universidad de Cambridge . Nota: El contenido puede ser editado por motivos de estilo y extensión.
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Referencia de la revista:
Biwen Li, Petri Murto, Rituparno Chowdhury, Laura Brown, Yutong Han, Giacomo Londi, David Beljonne, Hugo Bronstein, Richard H. Friend. "Separación de carga fotoinducida intermolecular intrínseca en semiconductores radicales orgánicos" . Materiales de la Naturaleza , 2025; DOI: 10.1038/s41563-025-02362-z
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Universidad de Cambridge. « Científicos desvelan un secreto cuántico de hace 100 años para potenciar la energía solar». ScienceDaily. ScienceDaily, 15 de octubre de 2025. < www.sciencedaily.com/releases/2025/10/251014014433.htm >
