Transporte eficiente de energía a través de marcos orgánicos covalentes
Nuevas perspectivas para el desarrollo de materiales orgánicos sostenibles en fotocatálisis y optoelectrónica
Un equipo de investigación interdisciplinar de la LMU, la Universidad Técnica de Múnich (TUM) y la Universidad de Oxford ha empleado novedosas técnicas espectroscópicas para investigar la difusión de estados excitados en los llamados marcos orgánicos covalentes (COF). Estos materiales modulares pueden adaptarse para obtener las propiedades deseadas mediante la selección selectiva de sus componentes, lo que ofrece una amplia gama de aplicaciones. El estudio ha revelado la eficacia con la que puede transportarse la energía en estos materiales cristalinos semiconductores, un avance decisivo para futuras aplicaciones optoelectrónicas como los sistemas fotovoltaicos sostenibles y los diodos orgánicos emisores de luz (OLED).
En el núcleo del estudio, que se ha publicado en la revista Journal of the American Chemical Society, se encuentran películas delgadas de COF de material poroso altamente cristalino. Mediante el uso de técnicas espaciotemporales de última generación, como la microscopía de fotoluminiscencia y la espectroscopia de terahercios, junto con simulaciones teóricas, el equipo reveló coeficientes de difusión notablemente altos y longitudes de difusión de varios centenares de nanómetros. "Como tales, estas películas delgadas superan significativamente las capacidades conocidas de transporte de energía de materiales orgánicos similares", subraya Laura Spies, doctoranda en la Cátedra de Química Física y Nanomateriales Funcionales de la LMU y coautora principal. "El transporte de energía funciona excepcionalmente bien, incluso a través de defectos estructurales como los límites de grano", añade el Dr. Alexander Biewald, antiguo doctorando del grupo de Química Física y Nanoóptica y segundo coautor principal del estudio.
Nuevas perspectivas para el desarrollo de materiales orgánicos sostenibles
Los análisis de temperatura permitieron comprender mejor los mecanismos subyacentes. "Los resultados indican que intervienen procesos de transporte coherentes e incoherentes", explica el profesor Frank Ortmann, coautor del estudio. La coherencia se da cuando las ondas de movimiento se producen de forma ordenada, sin perturbaciones a lo largo de grandes distancias, lo que permite una transferencia de energía rápida y con pocas pérdidas. Los procesos incoherentes, por el contrario, se caracterizan por movimientos desordenados y aleatorios, que requieren activación térmica y suelen ser menos eficaces. Estos hallazgos contribuyen significativamente a nuestra comprensión del transporte de energía en los COF y muestran cómo la estructura molecular y la organización en el cristal pueden afectar a estos procesos.
"Nuestro trabajo pone de relieve lo vital que es la cooperación interdisciplinaria e internacional de investigadores expertos en síntesis, análisis experimental y modelización teórica -posibilitada por la e-conversión- para el éxito de tales estudios", afirman los autores correspondientes del estudio, el profesor Achim Hartschuh y el profesor Thomas Bein. Los resultados abren nuevas perspectivas para el desarrollo de materiales orgánicos sostenibles en fotocatálisis y optoelectrónica, como la fotovoltaica".
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Publicación original
Laura Spies, Alexander Biewald, Laura Fuchs, Konrad Merkel, Marcello Righetto, Zehua Xu, Roman Guntermann, Rik Hooijer, Laura M. Herz, Frank Ortmann, Jenny Schneider, Thomas Bein, Achim Hartschuh; "Spatiotemporal Spectroscopy of Fast Excited-State Diffusion in 2D Covalent Organic Framework Thin Films"; Journal of the American Chemical Society, 2025-1-2
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