Forskere opdager ny ladningsoverførsel og adskillelsesproces

Ladningsoverførsel og adskillelse er en grundlæggende proces i den energiomdannelse, der driver livet på Jorden. Udover udrulning i solceller og fotokatalysatorer, denne proces findes i fotosyntesen, da det muliggør energiomdannelse ved at høste lys og derefter overføre og omdanne det til kemisk energi.

Imidlertid, dybere forståelse af ladningsoverførsel og adskillelse på molekylært niveau er fortsat en udfordring, da denne proces er meget hurtig - lysabsorptionsinduceret ladningsoverførsel og adskillelse finder sted over et par femtosekunder til et par picosekunder.

Et internationalt team af forskere fra Singapore University of Technology and Design (SUTD), det kinesiske videnskabsakademi, Pohang University of Science and Technology og Vanderbilt University, overvandt denne udfordring ved at bruge fluorescens i deres modelsystemer og studere ændringen i fluorescensoutput-intensitet, levetid og bølgelængde, osv. – og opdagede en ny ladningsoverførsels- og separationsproces kaldet twisted intramolecular charge shuttle (TICS). I TICS-molekyler, ladningsdonor- og acceptorfragmenterne skifter dynamisk roller efter at have absorberet lys og oplevet en strukturel vridning, udviser således et 'charge shuttle'-fænomen.

Den unikke tovejs, rolleskift TICS-proces adskiller den fra en lignende proces med ensrettet ladningsoverførsel kaldet twisted intramolecular charge transfer (TICT). Mens TICT har lettet udviklingen af ​​mange funktionelle materialer og enheder såsom lysstærke og fotostabile fluoroforer, mørke slukkere, viskositetssensorer og polaritetssensorer, TICS baner en ny vej for kemikere til at konstruere unikke og nyttige fluorescerende prober i en lang række kemiske familier af fluoroforer.

For eksempel, forskerholdet konstruerede TICS fluorescerende prober, der kan bruges til at påvise glutathion, en antioxidant, der findes i planter og dyr, og som er afgørende for at fjerne mange giftige kemikalier i biologiske celler. Tilsvarende en anden type specifikt konstrueret TICS-baseret probe ville være i stand til at påvise fosgen, en farveløs og meget giftig gas, der blev brugt som et kemisk våbenmiddel under 1. Verdenskrig, som potentielt kan bruges i terrorangreb.

SUTDs adjunkt Liu Xiaogang forklarede, hvordan forskerholdet udviklede TICS-baserede glutathion-fluorescerende prober og deres bestræbelser på at transformere farvestofkemien fra trial and error til molekylær ingeniørkunst.

"Forskning inden for dette studieområde har ofte været baseret på forsøg og fejl. Hos SUTD, hvor design er en nøglekomponent i vores forskningsstrategi, vi sørgede for at anlægge en design-centreret tilgang i vores forskningsproces. Vi analyserede først kemiske big data og opdagede et mønster mellem molekylære strukturer og fluorescerende egenskaber. Efter at have forstået denne TICS-proces, vi designet derefter en sonde for at bevise dette koncept, " sagde adjunkt Liu.