يصل الضوء إلى الأرض كل صباح بسخاء هادئ، منتشراً عبر الأسطح والأوراق والألواح الزجاجية على حد سواء. يبدو للعين البشرية هادئًا ومستمرًا، ومع ذلك، داخل المواد التي تلتقط توهجه، تتكشف درامات مجهرية لا حصر لها. تتحرك الإلكترونات، تهتز الجزيئات، وتبحث الطاقة عن مساراتها عبر المادة. على مدار عقود، حاول العلماء فهم هذه الحركات العابرة التي تكمن في قلب تكنولوجيا الطاقة الشمسية.
الآن، تمكن الباحثون في جامعة كامبريدج من ملاحظة واحدة من هذه اللحظات الخفية بوضوح ملحوظ. في دراسة نُشرت في مجلة Nature Communications، تمكن العلماء من التقاط الإلكترونات وهي تقفز عبر المواد الشمسية في 18 فيمتوثانية فقط - وهي فترة قصيرة جدًا بحيث يمكن أن تتسع ملايين من هذه اللحظات في غمضة عين واحدة. في تلك اللحظة التي تكاد تكون غير قابلة للقياس، لمحت عملية قد تعيد تشكيل كيفية تفكير العلماء في حصاد ضوء الشمس.
لفهم نطاق هذا الاكتشاف، يساعد أن نأخذ في الاعتبار الساعة المستخدمة. الفيمتوثانية هي جزء من تريليون من الثانية. في هذا المجال، لا تكون الذرات أشياء ثابتة بل راقصين مضطربين، يهتزون باستمرار داخل الجزيئات. استخدم الباحثون تقنية مطيافية الليزر فائقة السرعة لمراقبة كيفية تحرك الطاقة عندما يضرب الضوء نظامًا جزيئيًا مصممًا خصيصًا. لم يكن هدفهم هو إنشاء أسرع نظام ممكن، بل على العكس - لبناء هيكل يتوقع أن تنقل فيه الإلكترونات ببطء وفقًا للنظريات التقليدية.
بدلاً من ذلك، حدث شيء مفاجئ.
بدلاً من الانجراف تدريجياً عبر الحدود بين المواد، تحرك الإلكترون في دفعة واحدة متماسكة. حدثت الحركة خلال اهتزاز جزيئي واحد، كما لو أن الجزيء نفسه قد دفع الإلكترون برفق إلى الأمام. وصف العلماء الظاهرة كنوع من "المقلاع الجزيئي"، حيث يساعد الاهتزاز الطبيعي للذرات داخل الجزيء في دفع الإلكترون عبر الواجهة.
لسنوات، افترضت العديد من نماذج الطاقة الشمسية أن مثل هذا النقل السريع للشحنات يتطلب ارتباطًا قويًا بين المواد أو اختلافات كبيرة في مستويات الطاقة. وغالبًا ما تأتي تلك الظروف مع تنازلات، مما يحد أحيانًا من الجهد أو يزيد من فقدان الطاقة. ومع ذلك، أظهر تجربة كامبريدج أنه تحت ظروف معينة، يمكن للإلكترونات أن تتحرك بسرعة استثنائية حتى عندما تكون تلك المتطلبات التصميمية التقليدية في الحد الأدنى.
في النظام التجريبي، قام الباحثون بربط مانح بوليمر مع جزيء مستقبل غير فوليريني. كانت الترتيبات مرتبطة بشكل ضعيف عن عمد، وكان الفرق في الطاقة بين المادتين صغيرًا. وفقًا لقواعد التصميم المعمول بها، كان ينبغي أن يؤدي هذا الإعداد إلى إبطاء نقل الشحنة بشكل كبير.
لكن الهندسة روت قصة مختلفة.
سمح تكوين واحد لاهتزاز محدد على طول العمود الفقري للبوليمر بالاصطفاف تمامًا مع الواجهة بين المواد. عندما ضرب الضوء النظام، خلط ذلك الاهتزاز الحالات الإلكترونية وأطلق الإلكترون عبر الحدود تقريبًا على الفور. في تكوين ذي صلة حيث لم يتماشى الاهتزاز مع الواجهة، استغرق نفس النقل مئات من الفيمتوثوان - أبطأ بكثير بالمقارنة.
كشفت المقارنة عن مبدأ دقيق ولكنه قوي. الاهتزازات الجزيئية ليست مجرد ضوضاء خلفية في هذه الأنظمة. في بعض الحالات، يبدو أنها تشارك بنشاط، مشكّلة كيفية تدفق الطاقة عبر المواد.
بمجرد أن وصل الإلكترون إلى جزيء المستقبل، أثار اهتزازًا متماسكًا جديدًا هناك - إشارة عملت كختم يؤكد سرعة ووضوح النقل. دعمت المحاكاة والحسابات على المستوى الكمومي الملاحظات التجريبية، مشيرة إلى وضع اهتزازي محدد كقوة دافعة وراء الحركة فائقة السرعة.
على الرغم من أن التجربة استخدمت نظام نموذج مبسط بدلاً من خلية شمسية عاملة، إلا أن الآثار قد تمتد عبر عدة مجالات. تعتمد خلايا الطاقة الشمسية العضوية، وكواشف الضوء، والمواد المحفزة الضوئية جميعها على القدرة على فصل الشحنات بسرعة بعد امتصاص الضوء. غالبًا ما يعني الفصل الأسرع طاقة أقل مهدرة.
تشير نتائج كامبريدج إلى أن تصميم المواد في المستقبل قد يولي اهتمامًا أكبر ليس فقط للهيكل الإلكتروني ولكن أيضًا لتنسيق الحركة الجزيئية. بدلاً من محاولة قمع الاهتزازات، قد يتعلم العلماء ترتيب الجزيئات بحيث تساعد الاهتزازات الصحيحة في رحلة الإلكترونات.
حتى الآن، تقدم الأبحاث نظرة مفاهيمية بدلاً من اختراق تكنولوجي فوري. سيتطلب تحويل مثل هذه الفيزياء فائقة السرعة إلى أجهزة شمسية عملية مزيد من التجارب والهندسة الدقيقة. ومع ذلك، فإن الملاحظة نفسها - إلكترون يعبر حدود جزيئية في الوقت الذي تستغرقه الذرات للاهتزاز مرة واحدة - تقدم نافذة نادرة إلى أكثر الآليات دقة في الطبيعة.
أحيانًا يأتي تقدم العلم ليس من الآلات الأكثر ضجيجًا أو التجارب الأكبر، ولكن من تعلم رؤية ما كان يحدث دائمًا في صمت. في هذه الحالة، قد يكشف اهتزاز جزيئي خافت عن إيقاع جديد في الطريقة التي يتحول بها ضوء الشمس إلى كهرباء.
تنبيه صورة الذكاء الاصطناعي الصور تم إنشاؤها باستخدام أدوات الذكاء الاصطناعي وليست صورًا حقيقية. إنها تمثيلات مفاهيمية للعمليات العلمية الموصوفة.
تحقق من المصدر توجد مصادر موثوقة تغطي هذا البحث. تشمل وسائل الإعلام الرئيسية والناشرين العلميين:
ScienceDaily Phys.org Yahoo News كلية سانت جون، جامعة كامبريدج (إصدار البحث الرسمي) Nature Communications (المجلة التي نُشرت فيها الدراسة)
نُشر بواسطة Banx Network. هذا المقال جزء من برنامج الوسائط اللامركزية من Banx، مدعومًا برمز BXE على شبكة XRP Ledger.
