Los científicos han descubierto que los electrones pueden viajar a través de materiales solares a velocidades cercanas a las más rápidas de la naturaleza, desafiando ideas arraigadas sobre cómo funcionan los sistemas de energía solar.
El hallazgo podría abrir nuevas vías para diseñar tecnología que capture de manera más eficiente la luz solar y la convierta en electricidad.
En experimentos de laboratorio que rastreaban eventos que duraban sólo 18 femtosegundos (menos de 20 cuatrillones de segundo), investigadores de la Universidad de Cambridge observaron que las cargas eléctricas se separaban durante una sola vibración molecular.
“Diseñamos deliberadamente un sistema que, según la teoría convencional, no debería haber transferido cargas tan rápidamente”, dijo el Dr. Pratyush Ghosh, investigador del St John’s College de Cambridge y primer autor del estudio. “Según las reglas de diseño convencionales, este sistema debería haber sido lento, y eso es lo que hace que el resultado sea tan interesante.
“En lugar de derivar aleatoriamente, el electrón se lanza en una explosión coherente. Las vibraciones actúan como una catapulta molecular. Las vibraciones no sólo acompañan el proceso, sino que lo impulsan activamente”.
Observando cómo se mueven los electrones en la escala de tiempo atómica
Un femtosegundo es una billonésima parte de un segundo: un segundo contiene aproximadamente ocho veces más femtosegundos que el número de horas que han pasado desde el comienzo del universo. En esta escala de tiempo increíblemente pequeña, los átomos dentro de la molécula vibran constantemente.
Los investigadores han observado que los electrones de la materia se mueven a la misma velocidad que los movimientos atómicos. Como explicó Ghosh, “efectivamente estamos viendo que los electrones se mueven al mismo ritmo que los átomos”.
Investigación, publicada comunicación de la naturaleza 5 de marzo de 2026, Desafía los supuestos de diseño de larga data en la ciencia de la energía solar. Hasta ahora, los científicos creían en general que la transferencia de carga ultrarrápida requería grandes diferencias de energía entre la materia y un fuerte acoplamiento electrónico. Estas condiciones pueden reducir la eficiencia al limitar el voltaje y aumentar la pérdida de energía.
Cómo la luz crea energía en las células solares
Cuando la luz incide sobre muchos materiales a base de carbono, crea un paquete de energía estrechamente unido llamado excitón: un par de electrones y huecos. Para que dispositivos como células solares, fotodetectores y sistemas fotocatalíticos funcionen eficazmente, este par debe separarse rápidamente en cargas libres.
Cuanto más rápido se produce la división, menos energía se desperdicia. Esta separación ultrarrápida juega un papel importante a la hora de determinar la eficiencia con la que los paneles solares y otras tecnologías de captación de luz convierten la luz solar en energía utilizable.
Para investigar si esta compensación es inevitable, los investigadores de Cambridge crearon deliberadamente lo que esperaban que fuera un sistema de bajo rendimiento. Colocaron un donante de polímero junto a un aceptor sin fullereno que casi no tenía diferencia de energía y solo tenía interacciones débiles, condiciones que deberían ralentizar significativamente la transferencia de carga.
En cambio, el electrón cruzó la interfaz en sólo 18 femtosegundos. Este movimiento es más rápido que el de muchos sistemas biológicos estudiados previamente y coincide con el ritmo natural del movimiento nuclear. “Es sorprendente ver que esto suceda en esta escala de tiempo dentro de una vibración molecular”, dijo el Dr. Ghosh.
Las vibraciones moleculares impulsan el movimiento ultrarrápido de los electrones
Experimentos con láser ultrarrápidos han ayudado a revelar el mecanismo detrás de este resultado inesperado. Cuando el polímero absorbe la luz, comienza a vibrar en patrones específicos de alta frecuencia.
Estas vibraciones mezclan los estados electrónicos y empujan efectivamente a los electrones a través del límite, creando un movimiento balístico direccional en lugar de una difusión lenta y aleatoria.
Una vez que el electrón alcanza la molécula aceptora, desencadena una nueva vibración armónica. Esta señal distintiva rara vez se observa en la materia orgánica e indica la rapidez con la que se produce la migración. “Esa vibración armónica es una huella clara de qué tan rápido y claramente se produce la transferencia.
“Nuestros resultados muestran que la velocidad final de separación de cargas no está determinada únicamente por la estructura electrónica estática”, dijo el Dr. Ghosh. “Depende de cómo vibra la molécula. Nos da un nuevo principio de diseño. En cierto modo, nos da un nuevo libro de reglas. En lugar de luchar contra las vibraciones moleculares, podemos aprender a utilizar las correctas”.
Implicaciones para la energía solar y la captación de luz.
El descubrimiento ofrece una nueva estrategia para diseñar una tecnología de captación de luz más eficiente. La separación de carga ultrarrápida es fundamental para sistemas como células solares orgánicas, fotodetectores y dispositivos fotocatalíticos que pueden producir combustible de hidrógeno limpio. Un proceso similar ocurre naturalmente durante la fotosíntesis.
El profesor Akshay Rao, profesor de Física del Laboratorio Cavendish y ex investigador asociado del St John’s College, que fue uno de los coautores del estudio, dijo: “En lugar de intentar suprimir el movimiento molecular, ahora podemos diseñar materiales que lo utilicen, convirtiendo la vibración de una restricción en una herramienta”.
El Laboratorio Cavendish y el Departamento de Química de la Universidad de Cambridge, Yusuf Hamid, científicos del proyecto. Rakesh Arul, investigador del St. John’s College, también participó. Colaboradores de Italia, Suecia, EE.UU., Polonia y Bélgica también contribuyeron a la investigación.
