Texto: Jaime Fernández, Fotografía: Jesús de Miguel - 30 may 2023 10:31 CET

En la sede del IMDEA Nanociencia de Madrid, donde Nazario Martín ejerce de vicedirector y Fernando Martín es profesor asociado de investigación, explican que los tres socios de TOMATTO (The ultimate Time scale in Organic Molecular opto-electronics, the ATTOsecond) provienen de campos completamente distintos y con formaciones diferentes, y se han juntado para “hacer algo que una sola persona no puede hacer, por lo que es necesario trabajar de manera conjunta”. Confiesa Fernando Martín, que les costó un año entenderse y llegar a un lenguaje con el que fueran capaces de trabajar, pero de ahí ha salido uno de los puntos realmente fuertes del proyecto.

Aseguran los dos representantes españoles, que Mauro Nisoli es “una eminencia mundial en la producción de pulsos de láser, Nazario lo que va a hacer es sintetizar todas las moléculas que se quieren estudiar, que no son moléculas que se puedan comprar, mientras que Fernando lo que hará son los cálculos y simulaciones teóricas utilizando la física cuántica para entender lo que se ve”.

La ayuda concedida por el ERC supera los 11,7 millones de euros para seis años (ampliables a siete), de los cuales algo más de siete millones de euros vendrán a Madrid. En Italia se va a construir el láser necesario para el experimento que va a costar unos cuatro millones de euros.

De manera sencilla, explica Fernando Martín que la energía solar consiste en producir corriente eléctrica, o sea, electrones que se mueven desde un lado a otro produciendo una corriente. En las células fotovoltaicas, en concreto, llega el sol, que índice un movimiento de electrones, que se transfiere de un dador a un aceptor, aunque “en estos momentos la eficiencia de esos dispositivos es muy baja. No llega al 17-18 por ciento y en un laboratorio se puede conseguir el veintitantos por ciento pero no más, es decir que el 80% de lo que podría sacar se está desperdiciando”.

De acuerdo con los investigadores, hay varias etapas en el proceso de transferencia de carga y cada una lleva un tiempo determinado. Hasta ahora solo se ha podido acceder a las etapas que llevan más tiempo, pero no a las etapas iniciales que son cuando el electrón empieza a moverse en la escala de los attosegundos.

Attosegundos

Explica Nazario Martín que un attosegundo es la millonésima parte de la millonésima parte de la millonésima parte de un segundo. “Para hacerse una idea, nano es 10^-9, pero atto es 10^-18, o sea que es un 0 seguido de diecisiete ceros y luego un 1. Estamos hablando del tiempo más corto al que se puede acceder ahora mismo”.

Los primeros pulsos aislados de attosegundos se generaron a principios del siglo XXI, pero la tecnología no estaba lista para para estudiar procesos electrónicos en química, que es de lo que trata este proyecto TOMATTO. Esa tecnología ya existe, aunque no tiene ni siquiera diez años, y además trabaja en el ultravioleta extremo, que “fríe los átomos, así que no es muy adecuado para ver cómo se mueven los electrones”.

Con el proyecto TOMATTO se quiere mejorar el sistema, con un láser único en el mundo, que “emita pulsos en el visible, con menos energía, la que los átomos pueden soportar sin ser destruidos, y esa es la gran novedad”. De esa manera se podrán usar átomos y moléculas sin que se ionicen, sin que pierdan los electrones, algo en lo que es experto Fernando Martín, especializado en ver qué pasa en los orbitales y ver dónde están los electrones en una molécula, en definitiva, en ver cómo se mueven en la escala del attosegundo. Explica por ejemplo, que el electrón que gira alrededor del núcleo de hidrógeno, tarda unos 150 attosegundos en dar una vuelta al núcleo.

Informan los investigadores que “todas las reacciones químicas abarcan la ruptura y la formación de enlaces entre átomos, y los responsables de que los enlaces se formen o rompan son los electrones, por lo tanto, la reactividad química es un proceso dinámico resultante del movimiento combinado de electrones y núcleos atómicos, así que acceder a la escala de tiempo de attosegundos significa abrir la posibilidad de alterar los enlaces químicos de una molécula y, por lo tanto, sus características químicas y reactividad”.

Objetivos

El trabajo de Nazario Martín consistirá en diseñar las moléculas que se puedan llevar a Milán para que allí se midan en una cámara de ultra alto vacío, sometiéndolas a una radiación con el láser que va a desarrollar Mauro Nisoli.

El objetivo primero del proyecto es “entender cómo se mueven los electrones en la escala de los attosegundos, para después intentar manipular su movimiento con los propios láseres, de tal manera que se pueda mejorar el proceso de movimiento de carga del electrón del dador al aceptor”. Básicamente, explican los dos investigadores españoles, lo que se quiere es “mejorar la eficiencia de lo que se llama conductividad eléctrica, actuando en los primeros instantes del movimiento del electrón”.

Ahora bien, ¿eso va a mejorar realmente la eficiencia de las células fotovoltaicas? No es posible saberlo, pero lo que sí saben los investigadores es que, al tener la posibilidad de entender lo que pasa, se puede conocer cuáles son las moléculas que se deberían poner en las placas solares para ser más eficientes. De hecho, intentarán sintetizar moléculas que no se le han ocurrido a nadie todavía y que sean las más idóneas para este tipo de energía.

De momento, y tras superar los problemas de abastecimiento de materiales como acero, semiconductores y fibra óptica, provocados por la pandemia de COVID, el proyecto ya entra en su segundo año de vida con la vista puesta en desarrollar un nuevo paradigma tecnológico.