Странен квантов ефект значително ускорява преноса на енергия

Движението на електрони и протони често действа съвместно както в живите системи, така и в изкуствените материали. Най-известният пример е протон-свързаният пренос на електрони (PCET) – процес, който играе централна роля в биоенергетиката, клетъчното дишане, фотосинтезата и фиксирането на азот. PCET също така влияе на разработването на много изкуствени материали, използвани за преобразуване и съхранение на енергия. Съвсем наскоро учените откриха още един сроден процес, известен като протон-свързан синглетен пренос на енергия (PCEnT).

Въз основа на по-ранни изследвания на PCET и PCEnT екипът, ръководен от професор Кайфен У от Далианския институт по химична физика към Китайската академия на науките проучи друг важен, но слабоизследван процес: преносът на триплетна енергия, свързан с движението на протони. Преносът на триплетна енергия е основният начин за пренос на енергия както в естествените, така и в синтетичните системи, но той функционира по различен начин от преноса на синглетна енергия. Разбирането на това как движението на протоните влияе върху този процес може да открие нови начини за управление на енергийния поток в съвременните материали.

В проучване, публикувано в списание Nature Materials, учените съобщиха за досега неизвестен механизъм, наречен пренос на триплетна енергия чрез протонна совалка (PS-TET). Този процес е наблюдаван при пренос на енергия от колоидни квантови точки (КТ) на базата на ZnSe към фенол-пиридинови диадни акцептори, прикрепени към тяхната повърхност.

Как протонната совалка пренася енергията

Когато квантовите точки от ZnSe поглъщат светлина, те преминават в възбудено състояние. След това дупка се премества от ZnSe към фенола, докато едновременно с това протон преминава от фенола към пиридина. След това електронът се пренася от ZnSe към феноксилен радикал. В същото време протонът се връща от пиридиния в изходното си положение. Заедно тези свързани етапи осигуряват общ пренос на спин-триплетна енергия от квантовите точки ZnSe към фенол-пиридиновите диади.

В крайна сметка протонът се връща там, откъдето е започнал движението си, но временното му преместване оказва огромно влияние. Совалката значително увеличава както скоростта, така и ефективността на преноса на триплетна енергия в сравнение с метилирания аналог, който не съдържа протонна совалка. Екипът също така откри, че добавянето на силно електроноакцепторна трифторметилна заместваща група към пиридина може да промени реда, в който протичат свързаните с протона етапи на пренос на електрони и дупки.

Квантово тунелиране при стайна температура

Скоростта на PS-TET се променяше много малко с температурата. Това показва, че протонът не се движи в резултат на обикновен топлинен процес. Вместо това, по-скоро, той се придвижва посредством квантово-механично тунелиране. Изчисленията, включващи интеграли на припокриване на вълновиte функции на протона потвърдиха тази интерпретация. Тези интеграли помагат да се определи кои пътища на релаксация на възбуденото състояние са предпочитани и насочват системата към ефективна миграция на триплетната енергия. Резултатите показват, че квантовите ефекти могат да се използват за управление на преноса на заряд и енергия в сложни материали дори при стайна температура.

Потенциално приложение в слънчеви батерии, лазери и катализа

„Откриването на механизма PS-TET има дълбоки последствия за много съвременни молекулни технологии, свързани със спин-триплетни възбудени състояния на молекулите.“

отбеляза професор Ву

Повишаването на ефективността на генерирането на триплети може да подобри фотоокислително-редукционния и екологичния катализ. В други технологии обаче може да се наложи ограничаване на образуването на триплети. Органичните оптоелектронни устройства, като слънчеви батерии и лазери, могат да работят по-добре, когато нежеланите триплетни състояния са потиснати. Изследването предполага, че учените може би ще могат да регулират образуването на триплети според нуждите. Създаването на протонен совал може да усили този процес, докато отстраняването му може да го намали или предотврати.