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Fotocorriente de conducción de nanocables
Las fotocopiadoras, los detectores de infrarrojos y los receptores ópticos en los sistemas de telecomunicaciones de fibra óptica dependen de fotoconductores, materiales que conducen más corriente eléctrica cuando se exponen a la luz. Fabricados a escala nanométrica, los fotoconductores podrían conducir a una variedad de diminutos dispositivos optoelectrónicos potencialmente útiles en las generaciones futuras de nanoelectrónica, sensores químicos y, eventualmente, proporcionar pistas sobre la fabricación de pequeñas células solares.
Ahora los investigadores japoneses, dirigidos por Takuzo Aida , profesor del departamento de química y biotecnología de la Universidad de Tokio, han fabricado un fotoconductor a partir de dos moléculas orgánicas diferentes que se autoensamblan en nanotubos largos y huecos. Los nanocables no conducen casi ninguna corriente en la oscuridad, pero cuando son golpeados por la luz, conducen 10.000 veces más corriente. Esto podría conducir a nanodispositivos baratos que se autoensamblan a partir de una solución química.
Para hacer un fotoconductor, es importante tener una unión entre dos capas segregadas: una que dona carga y otra que la acepta. Los fotoconductores fabricados anteriormente no tienen capas donantes y aceptoras separadas a nivel nanométrico, dice Aida. El nuevo fotoconductor, que los investigadores describen en la publicación de esta semana Ciencias , es el primero que proporciona una heterounión donante-aceptor a nanoescala y exhibe una propiedad fotoconductora, dice Aida.
Los investigadores crean una solución de dos moléculas orgánicas, trinitrofluorenona (TNF) y hexabenzocoroneno (HBC), en un disolvente. Cuando exponen esta solución a vapores de metanol a 25 ° C, las moléculas orgánicas se autoensamblan en tubos huecos de 16 nanómetros de ancho. Las paredes de 3 nanómetros de espesor de los nanotubos están hechas de capas de TNF, que actúan como la capa receptora de electrones, laminando la capa donante de electrones HBC.
Cuando los investigadores colocan los fotoconductores entre electrodos y aplican un voltaje, casi no fluye corriente. Pero cuando se iluminan con luz ultravioleta o visible, los nanocables conducen la electricidad. La corriente eléctrica bajo iluminación es cuatro órdenes de magnitud mayor que en la oscuridad, dice Aida. Una relación de encendido-apagado tan grande es muy importante para las aplicaciones optoelectrónicas.
En este momento, la conductividad de los nanocables cambia en respuesta a la luz; no absorben luz para generar corriente eléctrica como lo hacen las células solares. Pero la estructura en capas de los nanotubos establece un plan para convertir la luz en electricidad, porque la interfaz entre las capas donante y aceptora puede considerarse como una unión p-n, la unidad básica de una célula solar, dice Frank Wurthner , profesor de química en la Universidad de Wurzburg, en Alemania.
Walter Smith , físico involucrado en la investigación de fotoconductores a nanoescala en Haverford College, considera que el nuevo trabajo es emocionante porque es el primer ejemplo de un sistema de autoensamblaje con una separación bien definida entre las capas donante y aceptora. Las personas pueden fabricar celdas solares muy pequeñas, pero es de esperar que poder autoensamblarlas reduzca el costo de fabricación, dice. El autoensamblaje también brinda una extraordinaria precisión a nivel atómico en la ubicación relativa de los componentes que se unen para formar una estructura.
Una ventaja importante del método de los investigadores japoneses es que las moléculas se ensamblan espontáneamente cuando se exponen a vapores de metanol. Es importante tener una señal externa que desencadene el autoensamblaje, dice Smith, porque eventualmente, cuando estamos tratando de construir sistemas más complejos, podemos usar diferentes señales para iniciar el autoensamblaje de diferentes partes del sistema. El trabajo de los investigadores japoneses, agrega, es un gran paso hacia la comprensión de la ciencia básica de lo que impulsa el autoensamblaje.