في المختبرات حيث يتم إعادة خلق ضوء الشمس بواسطة الليزر وتحدث أصغر حركات المادة في تريليونات من الثانية، يلمح العلماء أحيانًا أحداثًا سريعة جدًا تجعل الزمن نفسه يبدو وكأنه ينطوي إلى الداخل. تهتز الجزيئات، وتتحرك الإلكترونات، وتظهر بنية الطاقة في ومضات سريعة من الحركة - لحظات تمر أسرع بكثير مما يمكن للإدراك البشري متابعتها.
على مدى عقود، تم تصور الآليات الداخلية للمواد الشمسية على أنها unfolding تدريجي. عندما يضرب الضوء سطحًا، تنتقل الطاقة عبر الجزيئات في عملية يُعتقد أنها صبورة إلى حد ما، تنتشر عبر المواد قبل أن تصبح في النهاية كهرباء قابلة للاستخدام. القصة، في العديد من الكتب المدرسية، تتكشف مثل انزلاق لطيف.
لكن الطبيعة تفضل أحيانًا القفزات المفاجئة.
في تجارب حديثة قادها باحثون من جامعة كامبريدج، لاحظ العلماء الإلكترونات تتحرك عبر واجهة مادة شمسية في 18 فيمتوثانية فقط - أقل من عشرين كوادريليون من الثانية. على هذا النطاق، تحدث الحركة في مدى اهتزازة جزيئية واحدة، مما يتناسب بشكل فعال مع الإيقاع الذي تتحرك به الذرات نفسها.
لإعطاء هذا منظورًا، تحتوي ثانية واحدة على عدد هائل من الفيمتوثواني أكثر من العدد الإجمالي للساعات التي مرت منذ بداية الكون. ومع ذلك، خلال تلك الفترة العابرة، تمكن الباحثون من ملاحظة إلكترون ينفصل عن شريكه ويعبر حدود جزيئية في انفجار حاسم واحد.
تتحدى هذه الاكتشافات الافتراضات التي تمسك بها لفترة طويلة حول كيفية انتقال الطاقة داخل المواد الشمسية العضوية. عندما يضرب ضوء الشمس العديد من الأنظمة القائمة على الكربون، فإنه ينشئ زوجًا مرتبطًا بإحكام من الجسيمات المعروفة باسم exciton - وهو مزيج من إلكترون والثقب الموجب الشحنة الذي يتركه وراءه. لكي تعمل تقنيات الطاقة الشمسية بكفاءة، يجب أن ينفصل هذا الزوج بسرعة إلى شحنات حرة قادرة على التحرك عبر المادة وتوليد تيار كهربائي.
تقليديًا، اعتقد العلماء أن هذا الانفصال يتطلب ارتباطًا إلكترونيًا قويًا أو اختلافات طاقة كبيرة بين المواد - ظروف قد تحد أحيانًا من الكفاءة من خلال إهدار الطاقة. لاختبار تلك الافتراضات، قام فريق كامبريدج عمدًا ببناء نظام من المتوقع أن يؤدي بشكل ضعيف. قاموا بربط مانح بوليمر مع مادة مستقبل غير فوليرين تشترك في اختلاف طاقة ضئيل فقط وتفاعل ضعيف. وفقًا للنظرية التقليدية، كان ينبغي أن يتحرك الإلكترون ببطء، إن تحرك على الإطلاق.
بدلاً من ذلك، حدث شيء أكثر دراماتيكية.
كشفت قياسات الليزر فائقة السرعة أن الإلكترون لم يتجول عشوائيًا عبر المادة. بدلاً من ذلك، بدا أنه يتم دفعه للأمام في انفجار متماسك واحد. كانت الحركة مدفوعة بالاهتزازات الطبيعية للجزيئات نفسها - اهتزازات صغيرة تحدث بترددات عالية بشكل لا يصدق. قارن الباحثون التأثير بمقلاع جزيئي، حيث توفر اهتزازات الذرات الدفع الدقيق اللازم لإطلاق الإلكترون عبر الحدود.
في تلك اللحظة، تزامنت الحركة الجزيئية والحركة الإلكترونية. سافر الإلكترون ليس من خلال انتشار بطيء ولكن من خلال قفزة اتجاهية موجهة بواسطة اهتزازات الهيكل من حوله.
بالنسبة للعلماء الذين يدرسون الطاقة الشمسية، يفتح هذا الاكتشاف إمكانية مثيرة. بدلاً من تصميم مواد تقمع الاهتزازات الجزيئية - التي كانت تُعتبر لفترة طويلة مصدرًا لعدم الكفاءة - قد تستفيد التقنيات المستقبلية من تلك الاهتزازات لتسريع فصل الشحنات وتقليل فقد الطاقة.
تشير الأبحاث، التي نُشرت في Nature Communications، إلى أن السرعة النهائية لتحويل الطاقة قد تعتمد ليس فقط على الهيكل الثابت للمواد ولكن أيضًا على كيفية تحرك ذراتها واهتزازها معًا.
يقول الباحثون إن النتائج قد تساعد في توجيه الجيل القادم من المواد الشمسية، وكواشف الضوء، وأنظمة التحفيز الضوئي المصممة لتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء أو وقود كيميائي. إن الملاحظة بأن الإلكترونات يمكن أن تعبر حدود جزيئية في 18 فيمتوثانية فقط تقدم رؤى جديدة حول العمليات الأساسية التي تحكم تقنيات حصاد الضوء.
تنبيه صورة AI هذه الصور هي تفسيرات بصرية تم إنشاؤها بواسطة AI تم إنشاؤها لتوضيح المفهوم الموصوف.