Elektroner tager et skridt fremad uden to skridt tilbage

Forskere ved University of California, Riverside, har, for første gang, med succes brugt elektriske dipoler til fuldstændigt at undertrykke elektronoverførsel i den ene retning, mens den accelererede i den anden. Opdagelsen kan hjælpe udviklingen af ​​forbedrede solceller og andre energiomdannelsesenheder og fremskynde designet af nye og fremragende energi- og elektroniske materialer.

Det er ikke en strækning at sige, at livet afhænger af strengt reguleret elektronoverførsel.

Elektronoverførsel er blandt de mest grundlæggende processer til opretholdelse af liv og energiomdannelse. Det opstår, når en elektron bevæger sig fra et atom eller et molekyle til et andet, bringe sin elektriske energi med sig. Fotosyntese, mitokondrie og cellulær respiration, og nitrogenfiksering er blandt de mange biologiske processer, der er muliggjort ved elektronisk ordnet bevægelse.

Fordi elektronoverførsel er både allestedsnærværende og vigtig, forskere har investeret enorme anstrengelser i at forstå processen, og brugte det, de lærte, til at skabe solceller, brændstofceller, batterier og mange andre enheder, der også er afhængige af effektiv elektronoverførsel.

Men den sarte elektronballet i levende ting, der er koreograferet gennem evolutionens epoker, ligner mere scenedykning i en mosh pit, når den anvendes på menneskeskabte teknologier.

Forskere kan kontrollere elektronoverførsel til en vis grad, men har svært ved at samle alle de subatomære partikler i en enkelt retning. Når de leder elektroner fremad, uundgåeligt, nogle bevæger sig også baglæns, forårsager tab af energi.

Valentine Vullev, professor i bioingeniør ved Bourns College of Engineering, ledet et internationalt team af forskere fra UC Riverside, Polen, Tjekkiet, og Japan, der brugte molekylære dipoler til at udnytte elektronoverførsel. Molekylære dipoler opstår, når et af atomerne i et molekyle har en sammensætning, der er mere tilbøjelig til at tiltrække elektroner, som har en negativ elektrisk ladning. Molekylære dipoler er overalt og har kraftfulde, nanoskala elektriske felter, der kan styre ønskede elektronoverførselsprocesser og undertrykke uønskede.

Mens elektriske dipoler genererer enorme felter omkring dem, falder styrken af ​​de elektriske felter hurtigt med afstanden. Derfor, det er vigtigt at placere dipolen så tæt som muligt på elektronoverførselsmolekylerne.

Vullevs gruppe inkorporerede dipolen i elektrondonormolekylet, 5-N-amido-anthranilamid elektret, et stof med en semi-permanent elektrisk ladning og dipolpolarisering, ligner en magnet. Forskerne udsatte electret for forskellige opløsningsmidler for at udløse elektronoverførsel. Med opløsningsmidler med lav polaritet forstærkede de dipolernes effekt betydeligt og styrede alle elektronerne i kun en retning.

Dette er første gang, at forskere har vist, at dipolen fremskynder elektronoverførsel i den ene retning og fuldstændigt undertrykker den i den anden.

"Denne opdagelse åbner døre for at lede elektronoverførselsprocesser fremad, mens undertrykke uønsket bagudrettet elektrontransduktion, som er en af ​​de hellige graler inden for fotofysik og energividenskab, "Sagde Vullev.

Nøglen lå i at finde en fin balance mellem at sænke opløsningsmidlets polaritet for at forbedre dipoleffekten uden at dræbe elektronoverførsel alt sammen. Specialdesignede molekylære komponenter med de rigtige elektroniske egenskaber hjalp med at optimere denne balance.

"Selvom det ser ud til, at vi løser et vigtigt fysisk kemi- og fysikproblem, resultaterne fra vores arbejde kan have brede tværfaglige konsekvenser, og vise sig vigtige for relevante områder, såsom molekylærbiologi, cellefysiologi, og energividenskab og teknik, "sagde Vullev." En bedre forståelse af elektronoverførsel på molekylært niveau vil forbedre vores forståelse af levende systemer og tjene som et fundament for effektive energiteknologier. "