Elétrons disparam por superfícies solares em apenas 18 femtosegundos

Essa descoberta pode abrir novos caminhos para o design de tecnologias que capturam a luz solar de forma mais eficiente e a convertem em eletricidade.

Em experimentos de laboratório que rastrearam eventos que duraram apenas 18 femtosegundos — menos de 20 quadrilhões de um segundo — pesquisadores da Universidade de Cambridge observaram a separação da carga elétrica durante uma única vibração molecular.

“Nós projetamos deliberadamente um sistema que, segundo a teoria convencional, não deveria ter transferido carga tão rapidamente,” disse o Dr. Pratyush Ghosh, Pesquisador Associado do St John’s College, Cambridge, e autor principal do estudo. “De acordo com as regras de design convencionais, este sistema deveria ter sido lento e isso é o que torna o resultado tão impressionante.”

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

Observando Elétrons se Movendo na Escala de Tempo dos Átomos

Um femtossegundo equivale a um quadrilhão de segundos — um segundo contém cerca de oito vezes mais femtosegundos do que todas as horas que se passaram desde o início do universo. Nessa escala de tempo extremamente pequena, os átomos dentro das moléculas estão constantemente vibrando.

Os pesquisadores observaram elétrons se movendo entre os materiais em uma velocidade essencialmente igual àquela dos movimentos atômicos. Como explicou Ghosh, “Estamos efetivamente assistindo elétrons migrando no mesmo ritmo que os próprios átomos.”

A pesquisa, publicada na Nature Communications em 5 de março de 2026, desafia suposições de design há muito estabelecidas na ciência da energia solar. Até agora, os cientistas geralmente acreditavam que a transferência ultrarrápida de carga exigia grandes diferenças de energia entre os materiais e um forte acoplamento eletrônico. Essas condições podem reduzir a eficiência, limitando a voltagem e aumentando a perda de energia.

Como a Luz Cria Energia em Materiais Solares

Quando a luz incide sobre muitos materiais baseados em carbono, cria um pacote de energia fortemente ligado chamado exciton — um par de elétron e “buraco”. Para que dispositivos como células solares, fotodetetores e sistemas fotocatalíticos funcionem de forma eficaz, este par deve se separar rapidamente em cargas livres.

Quanto mais rápido a separação ocorrer, menos energia é desperdiçada. Essa separação ultrarrápida desempenha um papel crítico na determinação de quão eficientemente os painéis solares e outras tecnologias de captura de luz convertem a luz solar em energia utilizável.

Para investigar se essa troca era inevitável, os pesquisadores de Cambridge deliberadamente criaram o que esperavam ser um sistema de baixo desempenho. Eles colocaram um doador de polímero ao lado de um aceitador não-fullereno com quase nenhuma diferença de energia e apenas uma interação fraca — condições que deveriam ter retrasado significativamente a transferência de carga.

No entanto, o elétron atravessou a interface em apenas 18 femtosegundos. Essa velocidade é mais rápida do que muitos sistemas orgânicos estudados anteriormente e corresponde ao ritmo natural do movimento atômico. “Ver isso acontecer nessa escala de tempo dentro de uma única vibração molecular é extraordinário,” disse o Dr. Ghosh.

Vibrações Moleculares Impulsionam o Movimento Ultrarápido de Elétrons

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

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

Assim que o elétron alcança a molécula aceitadora, ele provoca uma nova vibração coerente. Este sinal distinto raramente é observado em materiais orgânicos e indica quão rapidamente a transferência ocorre. “Essa vibração coerente é uma clara impressão digital de quão rápido e quão limpa a transferência ocorre.”

“Nossos resultados mostram que a velocidade máxima da separação de carga não depende apenas da estrutura eletrônica estática,” disse o Dr. Ghosh. “Depende de como as moléculas vibram. Isso nos dá um novo princípio de design. De certa forma, isso nos dá um novo manual das regras. Em vez de lutar contra as vibrações moleculares, podemos aprender a usar as certas.”

Implicações para a Energia Solar e a Captura de Luz

A descoberta sugere uma nova estratégia para projetar tecnologias de captura de luz mais eficientes. A separação ultrarrápida de carga é fundamental para sistemas como células solares orgânicas, fotodetetores e dispositivos fotocatalíticos que podem produzir 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 coautor do estudo, disse: “Em vez de tentar suprimir o movimento molecular, podemos agora projetar materiais que o utilizem — transformando 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 Associado do St John’s College. Colaboradores na Itália, Suécia, Estados Unidos, Polônia e Bélgica também contribuíram para a pesquisa.