Les photosensibilisateurs sont des molécules qui absorbent la lumière du soleil et transmettent cette énergie pour générer de l'électricité ou entraîner des réactions chimiques. Ils sont généralement basés sur des éléments rares, métaux chers; ainsi la découverte que le fer carbènes, avec du vieux fer ordinaire à leurs noyaux, peut le faire, trop, a déclenché une vague de recherches au cours des dernières années. Mais alors que l'on découvre des carbènes de fer toujours plus efficaces, les scientifiques doivent comprendre exactement comment ces molécules fonctionnent au niveau atomique afin de les concevoir pour des performances optimales.

Aujourd'hui, des chercheurs ont utilisé un laser à rayons X au Laboratoire national de l'accélérateur SLAC du ministère de l'Énergie pour observer ce qui se passe lorsque la lumière frappe un fer carbène. Ils ont découvert qu'il peut réagir de deux manières concurrentes, dont un seul permet aux électrons de circuler dans les dispositifs ou les réactions où ils sont nécessaires. Dans ce cas, la molécule a pris le chemin de la production d'énergie environ 60% du temps. L'équipe a publié ses résultats le 31 janvier dans Communication Nature .

Dans une cellule solaire, un fer carbène se fixe sur le film semi-conducteur à la surface de la cellule avec son atome de fer qui dépasse. La lumière du soleil frappe l'atome de fer et libère des électrons, qui se jettent dans les attachements de carbène. S'ils restent suffisamment longtemps sur ces pièces jointes - 10 billions de seconde ou plus - ils peuvent alors se déplacer dans la cellule solaire et augmenter son efficacité. En chimie, le regain d'énergie fourni par les photosensibilisateurs aide à stimuler les réactions chimiques, mais nécessite des temps de séjour encore plus longs pour les électrons sur les attaches carbène.

Pour cerner comment cela fonctionne, une équipe internationale dirigée par des chercheurs du Stanford PULSE Institute du SLAC a examiné des échantillons de fer carbène avec des impulsions laser à rayons X provenant de la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du laboratoire. Ils ont mesuré simultanément deux signaux séparés qui révèlent comment les noyaux atomiques de la molécule se déplacent et comment ses électrons entrent et sortent des liaisons fer-carbène.

Les résultats ont montré que les électrons étaient stockés dans les pièces jointes carbène assez longtemps pour effectuer un travail utile environ 60% du temps; le reste du temps, ils retournaient trop tôt à l'atome de fer, ne rien accomplir.

Kelly Gaffney de PULSE a déclaré que l'objectif à long terme de cette recherche est d'obtenir près de 100% des électrons pour rester sur les carbènes beaucoup plus longtemps, Ainsi, l'énergie de la lumière peut être utilisée pour entraîner des réactions chimiques. Pour faire ça, les scientifiques doivent trouver des principes de conception pour adapter les molécules de fer carbène afin d'effectuer des travaux particuliers avec une efficacité maximale.