Un nuevo material transporta energía de la luz a saltos entre pequeñas islas

Un equipo de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), IMDEA Nanociencia y otros centros del País Vasco y Cataluña han sintetizado un material capaz de transportar con gran eficacia la energía que absorbe de la luz, pese a que su estructura está dividida en pequeñas islas. El compuesto pertenece a la familia de las perovskitas, materiales que se investigan para desarrollar nuevas generaciones de células solares, LED y detectores de luz.

El hallazgo, publicado en Advanced Materials, muestra que una estructura discontinua puede transportar energía con una eficiencia comparable a la de otras perovskitas con capas continuas. 

El trabajo está encabezado por Raquel Utrera Melero y Ferry Prins, del Centro de Física de la Materia Condensada (IFIMAC) y el Departamento de Física de la Materia Condensada de la UAM, junto con Jose Sánchez Costa, de IMDEA Nanociencia, y Beatriz Martín-García, del Centro de Física de Materiales (CSIC).

Un archipiélago en lugar de una lámina

Las perovskitas bidimensionales tienen una estructura que recuerda al hojaldre: capas inorgánicas muy finas se alternan con otras formadas por moléculas orgánicas. En las perovskitas de plomo y bromo estudiadas habitualmente, la capa inorgánica es continua y permite que la energía se propague por ella.

En el nuevo material, las moléculas orgánicas de ácido 4-aminometilbenzoico se unen entre sí mediante fuertes enlaces de hidrógeno. Estas uniones rigidizan la estructura e impiden que la capa inorgánica se forme de manera continua. En su lugar, aparecen pequeñas islas idénticas, formadas por tres unidades, alineadas como fichas de dominó y separadas por las moléculas orgánicas.

El equipo confirmó esta orientación mediante espectroscopia Raman, una técnica que permite estudiar las vibraciones de los átomos. Para ello, iluminó el cristal con luz polarizada y analizó su respuesta.

Saltos de isla en isla

Con una estructura así, cabría esperar que la energía quedara atrapada en cada isla. Para averiguar si ocurría, el equipo iluminó con un láser un punto diminuto de una lámina del cristal. Después, utilizó un microscopio capaz de registrar cambios en milmillonésimas de segundo para observar cómo se extendía la señal luminosa.

«El resultado nos sorprendió, porque los excitones, los “paquetes” de energía que se crean al absorber luz, recorren unos 180 nanómetros en una dirección del cristal y unos 90 en la perpendicular», explica Raquel Utrera, investigadora de la UAM. «En la dirección rápida se difunden tres veces más deprisa que en la lenta, y a un ritmo comparable al de perovskitas continuas bien conocidas».

La explicación reside en cómo se transfiere la energía. En este material, cada isla actúa como una diminuta antena que transmite la energía a su vecina sin necesidad de contacto directo. El proceso puede compararse con un diapasón que hace vibrar a otro cercano y se conoce como transferencia resonante de energía de campo cercano. Según las medidas del equipo, cada excitón realiza del orden de diez billones de saltos por segundo.

Las simulaciones electromagnéticas de Antonio I. Fernández-Domínguez, del Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada de la UAM, respaldan este mecanismo y ayudan a entender por qué la energía se propaga más deprisa en una dirección que en otra.

La diferencia no depende solo de la frecuencia de los saltos, sino también de su longitud. En la dirección en la que las islas están más próximas, los saltos son más frecuentes. En la otra, cada salto cubre más del doble de distancia: esa mayor longitud compensa la menor frecuencia y permite que la energía se extienda más rápidamente.

Una nueva vía para diseñar materiales

El estudio muestra que, en este material, una red inorgánica continua no es imprescindible para transportar energía de forma eficiente y favorecer su propagación en una dirección determinada. El resultado abre una vía para diseñar materiales en los que el transporte de energía pueda controlarse mediante la disposición y la orientación de sus componentes, incluso cuando estos no están conectados directamente.

Esta posibilidad podría aprovecharse para canalizar la energía en dispositivos optoelectrónicos. Sin embargo, la estabilidad sigue siendo un obstáculo: el material se degrada rápidamente al exponerse a la humedad ambiental si no se protege. El equipo ya trabaja en mejorar este aspecto.

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Referencia bibliográfica:

R. Utrera-Melero, A. Cutrupi, I. Rivilla, D. Spirito, E. C. Sañudo, J. Cabanillas-González, A. I. Fernández-Domínguez, B. Martín-García, J. Sánchez Costa y F. Prins. «Efficient In-Plane Exciton Transport in a Discontinuous Layered Lead-Bromide Perovskite». Advanced Materials (2026). DOI: 10.1002/adma.75282.

Más información:  UAM Gazette