Elétrons são catapultados através de materiais solares em apenas 18 femtossegundos

A descoberta pode abrir novos caminhos para a concepção de tecnologias que capturem a luz solar de forma mais eficiente e a convertam em eletricidade.

Em experiências de laboratório que rastrearam eventos que duraram apenas 18 femtossegundos – menos de 20 quatrilionésimos de segundo – investigadores da Universidade de Cambridge observaram a separação da carga eléctrica durante uma única vibração molecular.

“Projetamos deliberadamente um sistema que, de acordo com a teoria convencional, não deveria ter transferido carga tão rápido”, disse o Dr. Pratyush Ghosh, pesquisador do St John’s College, Cambridge, e primeiro autor do estudo. “Segundo as regras de design convencionais, este sistema deveria ser lento e é isso que torna o resultado tão impressionante.

“Em vez de flutuar aleatoriamente, o elétron é lançado em uma explosão coerente. A vibração atua como uma catapulta molecular. As vibrações não apenas acompanham o processo, elas o impulsionam ativamente.”

Observando o movimento dos elétrons na escala de tempo dos átomos

Um femtossegundo é um quatrilionésimo de segundo – um segundo contém cerca de oito vezes mais femtossegundos do que todas as horas que se passaram desde o início do universo. Nesta escala de tempo incrivelmente pequena, os átomos dentro das moléculas estão constantemente vibrando.

Os pesquisadores observaram elétrons se movendo entre materiais essencialmente no mesmo ritmo dos movimentos atômicos. Como explicou Ghosh, “estamos efetivamente observando a migração dos elétrons no mesmo relógio que os próprios átomos”.

A pesquisa, publicada em Comunicações da Natureza 5 de março de 2026 desafia suposições de projeto de longa data na ciência da energia solar. Até agora, os cientistas geralmente acreditavam que a transferência de carga ultrarrápida exigia grandes diferenças de energia entre os materiais e um forte acoplamento eletrônico. Essas condições podem reduzir a eficiência limitando a tensão e aumentando a perda de energia.

Como a luz cria energia em materiais solares

Quando a luz atinge muitos materiais à base de carbono, ela cria um pacote de energia fortemente ligado chamado exciton – um par de elétrons e buracos. Para que dispositivos como células solares, fotodetectores e sistemas fotocatalíticos funcionem de forma eficaz, este par deve separar-se rapidamente em cargas gratuitas.

Quanto mais rápida ocorrer a divisão, menos energia será desperdiçada. Esta separação ultrarrápida desempenha um papel crítico na determinação da eficiência com que os painéis solares e outras tecnologias de captação de luz convertem a luz solar em energia utilizável.

Para investigar se esta compensação era inevitável, os investigadores de Cambridge criaram intencionalmente o que esperavam ser um sistema com fraco desempenho. Eles colocaram um doador de polímero próximo a um aceitador não fulereno com quase nenhuma diferença de energia e apenas interação fraca – condições que deveriam ter retardado significativamente a transferência de carga.

Em vez disso, o elétron cruzou a interface em apenas 18 femtossegundos. Essa velocidade é mais rápida do que muitos sistemas orgânicos estudados anteriormente e corresponde ao ritmo natural do movimento atômico. “Ver isso acontecer nesta escala de tempo dentro de uma única vibração molecular é extraordinário”, disse o Dr.

Vibrações moleculares impulsionam movimento ultrarrápido de elétrons

Experimentos com laser ultrarrápido ajudaram a revelar o mecanismo por trás desse resultado inesperado. Quando o polímero absorve luz, ele começa a vibrar em padrões específicos de alta frequência.

Essas vibrações misturam estados eletrônicos e efetivamente empurram o elétron através da fronteira, criando um movimento balístico direcional em vez de uma difusão lenta e aleatória.

Uma vez que o elétron atinge a molécula aceitadora, ele desencadeia uma nova vibração coerente. Este sinal distinto raramente é observado em materiais orgânicos e indica a rapidez com que a transferência ocorre. “Essa vibração coerente é uma impressão digital clara de quão rápida e limpa a transferência ocorre.

“Nossos resultados mostram que a velocidade final de separação de carga não é determinada apenas pela estrutura eletrônica estática”, disse o Dr. “Depende de como as moléculas vibram. Isso nos dá um novo princípio de design. De certa forma, isso nos dá um novo livro de regras. Em vez de combater as vibrações moleculares, podemos aprender como usar as vibrações certas.”

Implicações para energia solar e captação de luz

A descoberta sugere uma nova estratégia para projetar tecnologias de colheita de luz mais eficientes. A separação ultrarrápida de carga é fundamental para sistemas como células solares orgânicas, fotodetectores e dispositivos fotocatalíticos que podem produzir combustível de hidrogênio limpo. Processos semelhantes também ocorrem naturalmente durante a fotossíntese.

O professor Akshay Rao, professor de física no Laboratório Cavendish e ex-pesquisador associado do St John’s College, que foi co-autor do estudo, disse: “Em vez de tentar suprimir o movimento molecular, podemos agora projetar materiais que o utilizam – transformando as vibrações de uma limitação em uma ferramenta.”

O projeto envolveu cientistas do Laboratório Cavendish e do Departamento de Química Yusuf Hamied da Universidade de Cambridge, incluindo o Dr. Rakesh Arul, pesquisador do St John’s College. Colaboradores na Itália, Suécia, Estados Unidos, Polónia e Bélgica também contribuíram para a investigação.