Esta é a primeira vez que cientistas demonstraram a possibilidade de usar as ondas superficiais, chamadas plasmons de superfície, para induzir o movimento de elétrons, produzindo eletricidade em nanoescala.

Plasmons de superfície

Cientistas da Universidade da Pensilvânia, nos Estados Unidos, criaram um circuito molecular capaz de transformar luz em corrente elétrica utilizando os plasmons de superfície, pacotes de energia que flutuam sobre a superfície dos metais, em vez de viajar pelo seu interior.

Os plasmons de superfície estão na crista da onda de uma série de pesquisas que estão criando a área da plasmônica, um campo emergente da tecnologia em nanoescala frequentemente chamado de “luz por meio de fios” – veja mais em Plasmônica: em busca da computação à velocidade da luz.

Esta é a primeira vez que cientistas demonstraram a possibilidade de usar o fenômeno, que se verifica em nanoescala, para induzir o movimento de elétrons, produzindo eletricidade.

Aplicações

Em 2005, um outro grupo de cientistas há havia descoberto que há uma analogia entre fótons e elétrons. O fenômeno vem sendo explorado em diversas áreas.

A descoberta da geração de eletricidade induzida pelos plasmons de superfície abre caminho não apenas para novas formas de transformar a luz do Sol em eletricidade, mas também de construir uma família inteiramente nova de componentes potencialmente substitutos dos atuais componentes eletrônicos, como os transistores, que poderiam ser acionados diretamente por luz, em vez de eletricidade.

O dispositivo consiste de um conjunto de moléculas de ouro enfileiradas, formando o que é conhecido tecnicamente como um transdutor, um dispositivo capaz de transformar um tipo de energia em outro.

Eletricidade induzida por plasmons

Ao receber as ondas eletromagnéticas – os fótons da luz, por exemplo – o dispositivo cria os plasmons de superfície, que por sua vez induzem uma corrente elétrica ao longo das moléculas, de forma similar ao que acontece nas células solares.

Células solares de ouro podem não soar como algo exatamente barato, mas cada uma das células é formada por apenas algumas moléculas de ouro. E, ao interagir diretamente com os fótons, elas funcionam de forma extremamente eficiente.

O sistema molecular de captura de energia poderia ser utilizado, por exemplo, para alimentar pequenos dispositivos eletrônicos, como sensores, que passariam a funcionar sem a necessidade de baterias.

Armazenamento de dados em computadores

O circuito molecular também poderá ser útil em uma nova forma, mais flexível e poderosa, para o armazenamento de dados em computadores.

Nos computadores atuais, os dados são armazenados de forma binária, onde a presença ou ausência de carga elétrica, ou a direção de uma magnetização, representam os 0s e os 1s.

Usando o novo dispositivo molecular, essas informações poderiam ser armazenadas na forma de comprimentos de onda da luz, com variações virtualmente infinitas.

Circuito molecular gerador de energia

O circuito molecular foi construído depositando nanopartículas fotossensíveis de ouro sobre uma base de vidro. Os pesquisadores ajustaram cuidadosamente os espaços entre as nanopartículas até que atingir uma distância ótima entre elas.

A seguir, foi utilizada uma fonte de luz para excitar os elétrons condutores, chamados plasmons, fazendo-os surfar sobre a superfície das nanopartículas de ouro e focalizar a luz na junção onde as nanopartículas se interconectam.

O efeito plasmon aumenta a eficiência da produção de corrente elétrica na molécula por um fator que varia de 400 a 2000.

Quando a radiação óptica excita os plasmons de superfície e as nanopartículas estão acopladas de forma otimizada, cria-se um forte campo eletromagnético entre as nanopartículas de ouro. As nanopartículas então se acoplam, formando uma rota aberta entre dois eletrodos fixados nas duas extremidades do circuito molecular.

Ou seja, os elétrons podem ser transportados dessa fábrica de eletricidade super eficiente para o mundo exterior, onde podem ser aproveitados de forma útil.

Antena óptica

O tamanho, o formato e a distância entre as partículas podem ser ajustados para que o circuito funcione com diversos comprimentos de onda. Quando os três parâmetros são ajustados para criar uma antena óptica “ressonante”, os fatores de ganho do circuito superam a casa dos milhares.

Além disso, os pesquisadores demonstraram que a magnitude da fotocondutividade das nanopartículas acopladas pelos plasmons de superfície pode ser ajustada independentemente das características ópticas da molécula utilizada, um resultado que tem implicações significativas para o desenvolvimento dos futuros dispositivos optoeletrônicos em nanoescala.

Da nanoescala para o uso prático

“Se a eficiência do sistema puder ser ampliada sem quaisquer limitações adicionais, que ainda não descobrimos, nós poderemos em tese fabricar circuitos moleculares com o diâmetro de um fio de cabelo e com vários centímetros de comprimento, que atingirão rendimentos na casa dos volts e dos amperes,” diz Dawn Bonnell, que coordenou a pesquisa.

Como os diversos compostos moleculares apresentam propriedades ópticas e elétricas muito diversas, as estratégias usadas na fabricação e estudo deste circuito molecular poderão estabelecer os princípios para a fabricação de um novo conjunto de componentes nos quais as propriedades elétricas de moléculas individuais, propriedades estas controladas pelos plásmons de superfície, poderão ser ajustadas para diversas formas de captura de energia.

Bibliografia:

Plasmon-Induced Electrical Conduction in Molecular Devices
Parag Banerjee, David Conklin, Sanjini Nanayakkara, Tae-Hong Park, Michael J. Therien, Dawn A. Bonnell
ACS Nano
February 2010
Vol.: 4 (2), pp 1019-1025
DOI: 10.1021/nn901148m