Strengt ingen dans:Forskere opdager nye regler for molekylært design

Siden opdagelsen af ​​kvantemekanikken for mere end hundrede år siden, har det været kendt, at elektroner i molekyler kan kobles til bevægelsen af ​​de atomer, der udgør molekylerne. Ofte omtalt som molekylære vibrationer, atomernes bevægelse fungerer som små fjedre, der gennemgår periodisk bevægelse.

For elektroner i disse systemer betyder det, at de er forbundet med hoften med disse vibrationer, at de også konstant er i bevægelse og danser efter atomernes tone på tidsskalaer på en milliontedel af en milliardtedel af et sekund. Men al denne dans omkring fører til et tab af energi og begrænser ydeevnen af ​​organiske molekyler i applikationer som lysemitterende dioder (OLED'er), infrarøde sensorer og fluorescerende biomarkører, der bruges til undersøgelse af celler og til at mærke sygdomme som kræftceller.

Nu har forskere, der bruger laserbaserede spektroskopiske teknikker, opdaget "nye molekylære designregler", der er i stand til at stoppe denne molekylære dans. Deres resultater, rapporteret i Nature , afslørede afgørende designprincipper, der kan stoppe koblingen af ​​elektroner til atomare vibrationer, og i realiteten lukke ned for deres hektiske dans og fremdrive molekylerne for at opnå uovertruffen ydeevne.

"Alle organiske molekyler, såsom dem, der findes i levende celler eller inden for skærmen på din telefon, består af kulstofatomer forbundet med hinanden via en kemisk binding," sagde Cavendish Ph.D. studerende Pratyush Ghosh, førsteforfatter af undersøgelsen og medlem af St John's College.

"De kemiske bindinger er som små vibrerende fjedre, som generelt mærkes af elektroner, hvilket forringer ydeevnen af ​​molekyler og enheder. Men vi har nu fundet ud af, at visse molekyler kan undgå disse skadelige virkninger, når vi begrænser molekylets geometriske og elektroniske struktur. til nogle specielle konfigurationer."

For at demonstrere disse designprincipper designede forskerne en række effektive nær-infrarøde emitterende (680-800 nm) molekyler. I disse molekyler var energitab som følge af vibrationer - i det væsentlige elektroner, der danser i takt med atomer - mere end 100 gange lavere end i tidligere organiske molekyler.

Denne forståelse og udvikling af nye regler til at designe lysemitterende molekyler har åbnet en ekstremt interessant bane for fremtiden, hvor disse grundlæggende observationer kan anvendes til industrier.

"Disse molekyler har også en bred vifte af anvendelser i dag. Opgaven er nu at omsætte vores opdagelse til at skabe bedre teknologier, fra forbedrede skærme til forbedrede molekyler til biomedicinsk billeddannelse og sygdomsdetektion," konkluderede professor Akshay Rao fra Cavendish Laboratory, som ledet denne forskning.

Flere oplysninger: Akshay Rao, Afkobling af excitoner fra højfrekvente vibrationer i organiske molekyler, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07246-x. www.nature.com/articles/s41586-024-07246-x

Journaloplysninger: Natur

Leveret af University of Cambridge