Een kolom met vloeibare kristalmoleculen zou de basis kunnen vormen van een nieuw soort flexibele lichtdetectoren met ultrasnelle reacties, een volledig RIKEN-team heeft aangetoond.

Conventionele zonnecellen en lichtdetectoren zijn gebaseerd op het fotovoltaïsche effect - een fenomeen waarbij licht geleidingselektronen en hun positieve tegenhangers genereert, gaten, in een halfgeleider. Ze bestaan ​​uit een materiaal dat elektronen afstaat en een materiaal dat ze accepteert. Elektronen en gaten worden bij het grensvlak uit elkaar getrokken, resulterend in het opwekken van een elektrische stroom.

Maar een ander effect, bekend als het bulk fotovoltaïsche effect, kan een stroom opwekken door slechts één soort materiaal te gebruiken. Het reageert ook zeer snel op licht en genereert een zeer constante stroom. Deze voordelen kunnen leiden tot een nieuwe generatie zonnecellen en lichtdetectoren.

Het bulk fotovoltaïsche effect is voornamelijk bestudeerd in anorganische materialen, omdat het alleen voorkomt in kristallen die geen centrum van inversiesymmetrie hebben, die de meeste organische materialen uitsluit. Maar organische verbindingen bieden voordelen zoals flexibiliteit en het vermogen om gemakkelijk de golflengte af te stemmen waarop het bulk fotovoltaïsche effect optreedt.

"Het bulk fotovoltaïsche effect wordt alleen waargenomen in polaire, niet-centrosymmetrische materialen, maar organische materialen hebben de neiging om bij voorkeur niet-polaire, centrosymmetrische kristallen, ", legt Daigo Miyajima van het RIKEN Center for Emergent Matter Science uit. "Vandaar, we moesten een manier vinden om deze symmetrie te doorbreken."

Eerder, Miyajima en enkele collega's hadden een vloeibaar-kristalkolom gemaakt bestaande uit op elkaar gestapelde waaiervormige moleculen waarin de symmetrie werd verbroken door waterstofbruggen tussen amidegroepen. Maar het absorbeerde alleen licht in het ultraviolette bereik.

Nutsvoorzieningen, door te sleutelen aan de samenstelling van het basismolecuul van dit organische vloeibare kristal, de onderzoekers zijn erin geslaagd om het bulk fotovoltaïsche effect in het kolomvormige vloeibare kristal over een breed golflengtebereik waar te nemen, die reikt tot rode golflengten in het zichtbare spectrum.

Hoewel de moleculen spontaan symmetrische assemblages vormen, de onderzoekers toonden aan dat de symmetrie kan worden doorbroken door simpelweg een elektrisch veld aan te leggen. Ze ontdekten dat onder deze omstandigheden de stroom in het vloeibare kristal met ongeveer 6 sprong, 600 keer toen er licht op scheen. Dit is vergelijkbaar met de reactie van lichtdetectoren op basis van het conventionele fotovoltaïsche effect, maar het zou kunnen worden gerealiseerd in een apparaat met een veel eenvoudigere structuur.

Het team probeert nu apparaten te maken op flexibele substraten. "Omdat ons materiaal een vloeibaar kristal is, het is bestand tegen buigen of strekken, ' merkt Miyajima op.