Forskere opdager, at molekyler spin flip fra magnetiske til ikke-magnetiske former dynamisk

En uventet opdagelse i professor Arthur Suits' kemilaboratorium kunne få konsekvenser for fremstilling af mere effektive solceller og forbedring af fotodynamiske terapier til behandling af kræft, og det kan bidrage til forskning i kvanteberegning. Kernen i opdagelsen er elektronernes spin. Molekyler er enten ikke-magnetiske eller magnetiske afhængigt af om to elektroner er parret med modsatte spins eller uparrede med samme spins. Molekyler kan skifte fra magnetiske til ikke-magnetiske former eller omvendt i en proces, der kaldes at vende et spin, men Suits siger, at processen er ineffektiv og sker langsomt.

"Det er velkendt, at hvis et ikke-magnetisk molekyle absorberer lys, ofte skifter den til den magnetiske form, og den form vil leve i lang tid og langsomt afgive lys, " siger han. "Det er også kendt, at i en kemisk reaktion, du kan starte med magnetiske former, og når de reagerer bliver de umagnetiske. Men det er en ineffektiv proces, der ikke sker let, og sker generelt sjældent i kemiske reaktioner."

Det, Suits og hans team fandt ud af, er, at spin-flips mellem magnetiske og ikke-magnetiske former kan ske meget effektivt i løbet af en kemisk reaktion, da produkterne adskilles efter reaktion, hvis de er to "radikaler" - molekyler med mindst én uparret elektron hver.

Teori versus eksperiment

"For at vise dette, vi udførte et spredningsforsøg, hvor to molekylære stråler af reaktanter, en atomart oxygen og den anden alkylaminer, krydses inde i et vakuumkammer for at danne produkter detekteret med en laser, "Suits siger. "Når disse kommer sammen, de danner et mellemmolekyle, der lever længe, ​​før det går fra hinanden. Teorien siger, at hvis det forbliver i den magnetiske startform, den kan ikke leve i lang tid. Resultatet viser, at det ændrer sig til ikke-magnetisk under reaktionen."

For at løse problemet, Suits og hans kolleger, postdoc Hongwei Li og ph.d.-studerende Alexander Kamasah, samarbejdede med en kollega på Temple University, Spiridoula Matsika, professor i beregningsteori, som udførte sofistikerede beregninger for at se på sandsynligheden for overgange fra magnetiske til ikke-magnetiske former. De opdagede, at spin flips i denne reaktion sker meget hurtigere end forventet - på kun et halvt picosekund, eller en halv trilliontedel af et sekund. Det overraskende aspekt er, at dette sker efter reaktionen er forbi, mens produkterne hænger sammen.

"Forskere vil nu vide, at når disse store molekyler begynder at dissociere, et muligt resultat er, at de kan ændre sig fra magnetiske til ikke-magnetiske former, " siger Suits. "Alle synes, det er en langsom proces, men vi viser, at det ikke altid er en langsom proces, og som et resultat kan det ske under en forbigående kemisk reaktion."

Suits og hans team siger, at forståelsen af ​​denne adfærd er fundamental for områder fra kemisk fysik til kemisk biologi, med anvendelser inden for materialevidenskab, molekylær fotonik, fotosensibilisatorer, og fotodynamisk terapi for cancer.

Finansiering til forskningen blev leveret af det amerikanske energiministerium, hærens forskningskontor, og National Science Foundation. Studiet, "Intersystem Crossing in the Exit Channel" blev udgivet i Naturkemi .