اكتشف باحثون في جامعة كامبريدج ظاهرة كمية في أشباه موصلات عضوية، مما يمكن من تحويل الضوء إلى كهرباء بكفاءة عالية. هذا الاختراق، الذي يتضمن سلوك مُوت-هَبَرْد في الجزيء P3TTM، قد يؤدي إلى لوحات شمسية أبسط وأرخص مصنوعة من مادة واحدة. الاكتشاف يرتبط بالفيزياء الأساسية منذ قرن مضى ويوافق الذكرى الـ120 لميلاد الفيزيائي السير نيفيل مُوت.
في دراسة نُشرت في Nature Materials عام 2025، كشف علماء بقيادة البروفيسور هُوغو برونستاين من قسم الكيمياء يوسف حامد والبروفيسور السير ريتشارد فريند من قسم الفيزياء في جامعة كامبريدج عن تأثير كمي غير متوقع في أشباه الموصلات العضوية ذات السبين الجذري P3TTM. يتميز هذا الجزيء بإلكترون غير متزاوج، مما يمنحه خصائص مغناطيسية وإلكترونية فريدة. عندما تتجمع الجزيئات عن كثب، تتفاعل إلكتروناتها غير المتزاوجة بشكل مشابه لتلك في عازل مُوت-هَبَرْد، وهو سلوك لم يُرَ إلا في أكاسيد المعادن غير العضوية سابقًا.
"هذه هي السحر الحقيقي"، شرحت بيوِن لي، الباحثة الرئيسية في مختبر كافِندِش. "في معظم المواد العضوية، تكون الإلكترونات متزاوجة ولا تتفاعل مع جيرانها. لكن في نظامنا، عندما تتجمع الجزيئات، يشجع التفاعل بين الإلكترونات غير المتزاوجة في المواقع المجاورة على ترتيبها بالتناوب صعودًا وهبوطًا، وهو علامة مميزة لسلوك مُوت-هَبَرْد. عند امتصاص الضوء، يقفز أحد هذه الإلكترونات إلى الجزيء الأقرب، مما يخلق شحنات إيجابية وسلبية يمكن استخراجها لإنتاج تيار فوتوكهربائي (كهرباء)."
بنى الفريق خلية شمسية باستخدام فيلم رقيق من P3TTM، الذي حقق كفاءة جمع شحنة شبه كاملة—تحويل كل فوتون تقريبًا إلى تيار قابل للاستخدام. بخلاف الخلايا الشمسية العضوية التقليدية التي تتطلب مادةين للتبرع بالإلكترونات وقبولها، يتعامل P3TTM مع العملية بأكملها داخليًا. بعد امتصاص الضوء، ينتقل إلكترون إلى جزيء مجاور، مما يخلق فصل شحنة بتكلفة طاقة دنيا، المعروفة بـ'Hubbard U'.
صمم الدكتور بيتري مورتو في قسم الكيمياء يوسف حامد هياكل جزيئية لتحسين الاتصال بين الجزيئات وتوازن الطاقة المطلوب لفصل الشحنة هذا. تشير هذه الابتكار إلى إمكانية تصنيع خلايا شمسية خفيفة الوزن وبأسعار منخفضة من مادة واحدة.
يحمل الاكتشاف صدى تاريخيًا، حيث يظهر في عام الذكرى الـ120 لميلاد السير نيفيل مُوت. علق البروفيسور فريند، الذي عرف مُوت في بداية مسيرته، قائلاً: "يشعر الأمر وكأنه إغلاق الدائرة. كانت رؤى مُوت أساسية لمسيرتي المهنية ولفهمنا لأشباه الموصلات. رؤية هذه القواعد الكمية العميقة الآن تظهر في فئة جديدة تمامًا من المواد العضوية، واستغلالها لجمع الضوء، أمر مميز حقًا."
أضاف البروفيسور برونستاين: "نحن لا نُحَسِّن تصاميم قديمة فقط. نحن نكتب فصلًا جديدًا في الكتاب المدرسي، موضحين أن المواد العضوية قادرة على توليد الشحنات بنفسها."