Kaster lys på et cyklisk molekyle med et twist

Som antydet af deres navn, Möbius-molekyler har en snoet løkkestruktur, en særlig egenskab med mange potentielle anvendelsesmuligheder. Et japansk forskerhold har afsløret egenskaberne af en type Möbius-aromatiske molekyle, der udtrykker magnetisme og bevarer høje energiniveauer, når de udsættes for lys. Disse egenskaber kan potentielt anvendes i organiske solcellebatterier, lys, og ledende materialer.

Resultaterne blev lavet af et forskerhold ledet af professor Yasuhiro Kobori (Kobe University), Professor Atsuhiro Osuka (Kyoto Universitet), Professor Kazunobu Sato og projektprofessor Takeji Takui (Osaka City University), og undersøgelsen blev offentliggjort den 10. maj i Journal of Physical Chemistry Letters .

Möbius aromatiske molekyler har tiltrukket sig opmærksomhed, fordi de kan få energi af lys. Når dette sker, i deres elektronisk exciterede tilstand udviser de "antiaromaticitet, " kendetegnet ved høje energiniveauer og høj ustabilitet. Denne ophidsede tilstand kan bruges i udviklingen af ​​miljøvenlige økologiske enheder, såsom organiske tyndfilmssolceller og elektroluminescerende elementer. Imidlertid, detaljerne bag denne tilstands elektroniske karakter og dens antiaromatiske egenskaber forblev uklare.

I dette studie, gruppen anvendte en tidsopløst elektron paramagnetisk resonansmetode, der bruger mikrobølger og elektromagneter til at detektere de magnetiske egenskaber af et reaktivt mellemprodukt. De observerede den exciterede triplettilstand af et Möbius aromatisk molekyle [28] hexaphyrin. Belysning af denne hexaphyrin med laserimpulser, de detekterede resonansen mellem mikrobølgen og elektronspindene forbundet med magnetismen i den exciterede triplettilstand og til det eksterne magnetfelt som et øjebliksbillede med en nøjagtighed på 10 millioner dele i sekundet efter hver laserimpuls.

De ændrede også vinklen på laserimpulsens polarisering i forhold til retningen af ​​det eksterne magnetfelt. Dette gjorde det muligt for dem at afklare den 3-dimensionelle placering af tripletspindet, samt at tage 10 millioner "snapshots" i sekundet af deaktiveringsprocessen på underniveauer af tripletten. Deres analyse afslørede, at snoede ringmolekyler har en "ladningsoverførsel"-karakter, der frigiver og lokaliserer ladningen i rette vinkler mellem orbitalerne. Ladningsoverførslen blokerer for den stabiliserende effekt forårsaget af udvekslingsinteraktionen mellem elektronerne, dermed bidrage til den højere energi for at give kilden til molekylets stærke antiaromatiske egenskaber.

Elektronfordelingerne i den nuværende triplettilstand er meget forskellige fra dem i den exciterede singlettilstandsart, som ikke udviser magnetisme. Denne undersøgelse viste, at hver elektronfordeling er lokaliseret i en del af molekylets ringramme. De viste også, at ændring af det orbitale vinkelmoment mellem de lokaliserede orbitaler i triplettilstanden fører til en hurtig deaktivering af et underniveau til grundtilstanden. Disse ortogonale orbitale vinkelrelationer forekommer kun i den snoede Möbius-topologi, hvilket betyder, at deaktiveringsprocessen kunne tilbyde nye værktøjer til at indeksere antiaromatisk karakter og til at analysere den exciterede tilstandsgeometri.

Professor Kobori kommenterer, "De særlige elektroniske egenskaber ved denne meget aktive exciterede tilstand kunne anvendes i elektroniske funktionelle materialer, organiske solceller og elektriske ledere, og potentielt kan bidrage til løsningen af ​​energi- og miljøspørgsmål."