Os cientistas descobriram que os eletrões podem mover-se através de materiais solares a velocidades próximas das mais rápidas que a natureza permite, um resultado que desafia ideias de longa data sobre como funcionam os sistemas de energia solar.
A descoberta poderá abrir novos caminhos para o desenvolvimento de tecnologias que capturem a luz solar de forma mais eficiente e a transformem 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 rapidamente”, disse o Dr. Pratyush Ghosh, pesquisador do St. John’s College, Cambridge e primeiro autor do estudo. “De acordo com as regras normais de projeto, esse sistema deveria ser lento, e é isso que torna o resultado tão incrível.
“Em vez de flutuar aleatoriamente, o elétron é lançado em uma explosão coerente. A vibração atua como uma catapulta molecular. A vibração não apenas acompanha o processo, ela o impulsiona ativamente.”
Observando o movimento dos elétrons na escala de tempo dos átomos
Um femtossegundo equivale a um quatrilionésimo de segundo – um segundo contém cerca de oito vezes mais femtossegundos do que todas as horas que se passaram desde a criação do universo. Neste tempo incrivelmente curto, os átomos dentro das moléculas estão vibrando constantemente.
Os pesquisadores observaram como os elétrons se movem entre os materiais quase na mesma velocidade dos movimentos atômicos. Como explicou Ghosh, “na verdade estamos observando os elétrons migrarem ao mesmo tempo que os próprios átomos”.
Um estudo publicado em Comunicações da natureza 5 de março de 2026 desafia suposições de longa data sobre o design 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. Estas 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 feixe de energia fortemente ligado chamado exciton – um par elétron-buraco. Para que dispositivos como células solares, fotodetectores e sistemas fotocatalíticos funcionem eficientemente, esse vapor deve rapidamente se dividir em cargas gratuitas.
Quanto mais rápida ocorrer a divisão, menos energia será desperdiçada. Esta separação ultrarrápida desempenha um papel importante na determinação da eficiência com que os painéis solares e outras tecnologias de captação de luz convertem a luz solar em energia utilizável.
Para descobrir se esta compensação é inevitável, os investigadores de Cambridge criaram deliberadamente o que consideraram ser um sistema com fraco desempenho. Eles colocaram um doador de polímero próximo a um aceitador de não fulereno com quase nenhuma diferença de energia e apenas uma interação fraca – condições que deveriam ter retardado significativamente a transferência de carga.
Em vez disso, o elétron cruzou a fronteira em apenas 18 femtossegundos. Essa velocidade é superior à de muitos sistemas orgânicos previamente estudados e corresponde ao ritmo natural do movimento dos átomos. “Ver isso acontecer nesta escala de tempo dentro de uma única vibração molecular é extraordinário”, disse o Dr.
Vibrações moleculares controlam o movimento ultrarrápido dos elétrons
Experimentos com um laser ultrarrápido ajudaram a revelar o mecanismo por trás desse resultado inesperado. Quando o polímero absorve luz, ele começa a vibrar em certos padrões de alta frequência.
Essas vibrações misturam os estados eletrônicos e empurram efetivamente o elétron através da fronteira, criando um movimento balístico direcionado em vez de uma difusão lenta e aleatória.
Assim que o elétron atinge a molécula aceitadora, ele inicia uma nova vibração coerente. Este sinal distinto raramente é observado em materiais orgânicos e indica a rapidez com que a transferência está ocorrendo. “Esta vibração coerente é uma impressão digital clara de quão rápida e limpa é a transmissão.
“Nossos resultados mostram que a taxa final de separação de carga não é determinada apenas pela estrutura eletrônica estática”, disse o Dr. “Depende de como as moléculas vibram. Dá-nos um novo princípio de design. De certa forma, dá-nos um novo conjunto de regras. Em vez de lutar contra as vibrações moleculares, podemos aprender a usar as certas.”
Implicações para energia solar e captação de luz
A descoberta oferece uma nova estratégia para o desenvolvimento de tecnologias de captação 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 puro. Processos semelhantes também ocorrem naturalmente durante a fotossíntese.
O professor Akshay Rao, professor de física no Laboratório Cavendish e ex-bolseiro de investigação no St John’s College, que foi co-autor do estudo, disse: “Em vez de tentar suprimir o movimento molecular, podemos agora criar materiais que o exploram – transformando as vibrações de uma restrição numa ferramenta.”
O projeto envolveu cientistas do Laboratório Cavendish e do Departamento de Química Yusuf Hamid da Universidade de Cambridge, incluindo o Dr. Rakesh Arul, pesquisador do St John’s College. Colaboradores de Itália, Suécia, Estados Unidos, Polónia e Bélgica também participaram no estudo.
