Pesquisadores da Universidade de Cambridge descobriram um fenômeno quântico em um semicondutor orgânico, permitindo uma conversão altamente eficiente de luz em eletricidade. Este avanço, envolvendo o comportamento Mott-Hubbard na molécula P3TTM, pode levar a painéis solares mais simples e baratos feitos de um único material. A descoberta se conecta à física fundamental de um século atrás e marca o 120º aniversário do nascimento do físico Sir Nevill Mott.
Em um estudo publicado em Nature Materials em 2025, cientistas liderados pelo Professor Hugo Bronstein do Departamento de Química Yusuf Hamied e pelo Professor Sir Richard Friend do Departamento de Física da Universidade de Cambridge revelaram um efeito quântico inesperado no semicondutor orgânico de spin-radical P3TTM. Essa molécula apresenta um elétron não pareado, conferindo-lhe propriedades magnéticas e eletrônicas únicas. Quando as moléculas se aglomeram de perto, seus elétrons não pareados interagem de forma semelhante aos de um isolante Mott-Hubbard, um comportamento observado anteriormente apenas em óxidos metálicos inorgânicos.
"Esta é a verdadeira magia", explicou Biwen Li, a pesquisadora principal no Laboratório Cavendish. "Na maioria dos materiais orgânicos, os elétrons estão pareados e não interagem com seus vizinhos. Mas em nosso sistema, quando as moléculas se aglomeram, a interação entre os elétrons não pareados em sítios vizinhos os incentiva a se alinhar alternadamente para cima e para baixo, uma marca do comportamento Mott-Hubbard. Ao absorver luz, um desses elétrons salta para o vizinho mais próximo, criando cargas positivas e negativas que podem ser extraídas para gerar uma fotocorrente (eletricidade)."
A equipe construiu uma célula solar usando um filme fino de P3TTM, que alcançou eficiência quase perfeita de coleta de cargas—convertendo quase todos os fótons em corrente utilizável. Diferente das células solares orgânicas tradicionais que requerem dois materiais para doação e aceitação de elétrons, o P3TTM lida com todo o processo internamente. Após a absorção de luz, um elétron se move para uma molécula vizinha, criando separação de cargas com custo energético mínimo, conhecido como 'Hubbard U'.
O Dr. Petri Murto no Departamento de Química Yusuf Hamied projetou estruturas moleculares para otimizar o contato molécula-a-molécula e o equilíbrio de energia necessário para essa separação de cargas. Essa inovação sugere o potencial para fabricar células solares leves e de baixo custo a partir de um único material.
A descoberta tem ressonância histórica, emergindo no ano do 120º aniversário do nascimento de Sir Nevill Mott. O Professor Friend, que conheceu Mott no início de sua carreira, refletiu: "Parece fechar o círculo. As percepções de Mott foram fundamentais para minha própria carreira e para nossa compreensão dos semicondutores. Ver agora essas regras profundas da mecânica quântica se manifestando em uma classe completamente nova de materiais orgânicos, e aproveitá-las para colheita de luz, é verdadeiramente especial."
O Professor Bronstein acrescentou: "Não estamos apenas melhorando designs antigos. Estamos escrevendo um novo capítulo no livro-texto, mostrando que materiais orgânicos são capazes de gerar cargas por si só."