Door gebruik te maken van een ultrasnelle camera, wetenschappers zeggen dat ze de allereerste momenten hebben waargenomen die volgden op de absorptie van licht in kunstmatige maar organische nanostructuren en ontdekten dat ladingen niet alleen snel werden gevormd, maar ook zeer snel over lange afstanden werden gescheiden - verschijnselen die optreden als gevolg van de golfachtige aard van elektronen die worden beheerst door fundamentele wetten van de kwantummechanica.

Dit resultaat verraste wetenschappers omdat men dacht dat dergelijke verschijnselen beperkt waren tot "perfecte" - en dure - anorganische structuren; in plaats van de zachte, flexibel organisch materiaal waarvan velen denken dat het de sleutel is tot goedkoop, 'roll-to-roll' zonnecellen die bij kamertemperatuur geprint kunnen worden - een heel andere wereld dan de traditionele maar kostbare verwerking van de huidige siliciumtechnologieën.

De studie, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap , werpt nieuw licht op het mysterieuze mechanisme waarmee positieve en negatieve ladingen efficiënt kunnen worden gescheiden - een cruciale vraag die wetenschappers blijft verbazen - en brengt onderzoekers een stap dichter bij het effectief nabootsen van het zeer efficiënte vermogen om zonlicht te oogsten en om te zetten in energie, namelijk fotosynthese, die de natuurlijke wereld in de loop van millennia heeft ontwikkeld.

"Dit is een zeer verrassend resultaat. Dergelijke kwantumverschijnselen zijn meestal beperkt tot perfecte kristallen van anorganische halfgeleiders, en men verwacht niet zulke effecten te zien in organische moleculen - die erg ongeordend zijn en eerder op een bord gekookte spaghetti dan op een kristal lijken, " zei Dr Simon Gélinas, van het Cavendish-laboratorium in Cambridge, die het onderzoek leidde met collega's uit Cambridge en de Universiteit van Californië in Santa Barbara.

Tijdens de eerste paar femtoseconden (een miljoenste van een miljardste van een seconde) verspreidt elke lading zich over meerdere moleculen in plaats van gelokaliseerd te worden tot één enkele. Dit fenomeen, ook wel ruimtelijke coherentie genoemd, laat een lading zeer snel over meerdere nanometers reizen en ontsnappen aan zijn tegengesteld geladen partner - een eerste stap die de sleutel lijkt te zijn tot het genereren van langlevende ladingen, zeggen de onderzoekers. Dit kan vervolgens worden gebruikt om elektriciteit op te wekken of voor chemische reacties.

Door de manier waarop moleculen zich samenpakken zorgvuldig te ontwikkelen, het team ontdekte dat het mogelijk was om de ruimtelijke samenhang af te stemmen en deze langeafstandsscheiding te versterken - of te verminderen. "Misschien het belangrijkste is dat de resultaten suggereren dat, omdat het proces zo snel is, het ook energiezuinig is, wat kan resulteren in meer energie uit de zonnecel, " zei Dr. Akshay Rao, een co-auteur van de studie van het Cavendish Laboratory.

Dokter Alex Chin, die het theoretische deel van het project leidde, voegde eraan toe dat, als je verder kijkt dan de implicaties van de studie voor organische zonnecellen, dit is een duidelijke demonstratie van "hoe fundamentele kwantummechanische processen, zoals coherentie, een cruciale rol spelen in ongeordende organische en biologische systemen en kunnen worden ingezet in nieuwe kwantumtechnologieën".