Scholes finder en ny magnetfelteffekt i diamagnetiske molekyler

Princeton University Department of Chemistry offentliggør forskning i denne uge, der beviser, at et anvendt magnetfelt vil interagere med den elektroniske struktur af svagt-magnetisk, eller diamagnetisk, molekyler til at inducere en magnetisk-felteffekt, der, til deres viden, er aldrig tidligere blevet dokumenteret.

Med den eksperimentelle anvendelse af magnetiske felter op til 25 Tesla, molekyler med lille iboende magnetisme udviser magnetofølsomme optiske og fotofysiske egenskaber, ifølge avisen, "Ringstrømme modulerer optoelektroniske egenskaber af aromatiske kromoforer ved 25 Tesla, " offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ).

Gregory Scholes, William S. Todd professor i kemi, og Bryan Kudisch, en kandidatstuderende på femte år og avisens hovedforfatter, sagde opdagelsen kunne give forskere mulighed for fundamentalt at ændre de elektroniske og fotofysiske egenskaber af nogle klasser af molekyler ved at bruge det magnetiske felt som et "håndtag".

Eksperimenterer med et magnetfelt, der er næsten 1M gange stærkere end Jordens, forskere i Scholes-gruppen var i stand til at modificere de optoelektroniske egenskaber af ikke-magnetiske organiske kromoforer. Ændringerne, ifølge avisen, opstå ved induktion af ringstrømme i de aromatiske molekyler.

"Ingen ville forvente, at et organisk molekyle uden metal og ingen iboende magnetisme ville have en så åbenlys magnetfelteffekt, " sagde Kudisch. "Vi bruger nogle af de største magnetiske felter genereret på jorden, det er rimeligt. Men samtidig, vi ser noget, der aldrig er set før. Og så for at komme med en passende forklaring, der påberåber sig en magnetisk felteffekt, der almindeligvis ses i kernemagnetisk resonans (NMR), nemlig aromatiske ringstrømme, er meget tilfredsstillende."

Aromatiske ringstrømme kan forstås som forslaget om, at elektroner delokaliseret af aromaticitet vil bevæge sig cirkulært, når et magnetfelt påføres vinkelret på det aromatiske plan, typisk nudging kemiske skift af nærliggende atomer i NMR-spektroskopi.

"Denne forskning viser, at dette er et fænomen med meget reelle kemiske implikationer, " tilføjede Kudisch. "Her, vi har taget noget, der er almindeligt i én type spektroskopi, og har vist, hvordan det forvandles på en fuldstændig uventet måde, mens vi bruger vores spektroskopiske metoder."

Til eksperimentet, forskere valgte en model af aromatisk kromofor kaldet en phthalocyanin, som har en molekylær struktur, der ligner klorofyl – naturens lysabsorber – men med stærkere absorption af synligt lys og højere stabilitet. Beregningerne på denne model af phthalocyaninforbindelse og dens aggregater viste klart, magnetfeltafhængige ændringer i phthalocyanins evne til at absorbere lys. Disse resultater markerer de første til at demonstrere magnetfeltafhængige ændringer i absorptionsspektret af diamagnetiske molekyler. Men det var ikke før forskerne anvendte den klassiske analog af solenoiden, at eksperimentet blev skarpere til klarhed.

En solenoide er en elektromagnetisk enhed, der effektivt konverterer elektrisk og magnetisk energi ved hjælp af ledende ledningsløkker arrangeret som en fjeder. Med deres tænkning funderet i solenoidernes opførsel, Kudisch sagde, de var i stand til at rationalisere, at den øgede magnetfeltfølsomhed, de observerede i phthalocyaninaggregaterne, kunne afhænge af det relative arrangement af phthalocyaninringene i aggregatet.

"Dette tilføjede ikke kun ekstra validering til vores beregningsstøtte, men det gav også tillid til denne idé om koblede aromatiske ringstrømme - ringstrømmene af tilstødende phthalocyaninkromoforer i aggregatet har en geometri, der afhænger af forstærkning af magnetfelts følsomhed, " sagde Kudisch. "Ligesom solenoiden."

Påbegyndt for tre år siden, forskningsprojektet kombinerede eksperimenter med et højt magnetfelt og ultrahurtig spektroskopi. En del af det blev udført med Split-Florida Helix Magnet på National High Magnetic Field Facility i Tallahassee, Florida, som kan prale af verdens stærkeste magnet til NMR-spektroskopi. Denne enestående magnet kan nå og opretholde magnetfeltstyrker på op til 25 T på en fuldstændig modstandsdygtig måde - i og for sig sandsynligvis den mest kraftfulde solenoide på planeten. Når den er i drift, magneten bruger 2% af strømmen i byen.

Scholes bemærkede, at PNAS papir markerer hans gruppes anden publikation fra arbejde ved hjælp af Florida split-helix magnet, et samarbejde, der startede for over otte år siden, da magneten blev designet. Hans gruppes rolle var at foreslå og designe det ultrahurtige lasersystem, der forbinder til magneten.

"Det er relativt nemt at få så høje magnetfelter på en NMR-magnet, men vores eksperimenter kræver, at du får lys og skinner det på prøven og derefter får det lys ud på en eller anden måde. Og for det, vi havde brug for laboratoriet i Tallahassee. Det er en flok næsten umulige muligheder, der samles, " sagde Kudisch.

Kudisch sagde, at opnåelse af phthalocyanin-aggregater i form af organiske nanopartikler til deres eksperimenter var "den enkleste del, " på grund af tidligere samarbejder med Princeton's Department of Chemical and Biological Engineering. Andre samarbejdspartnere på papiret omfatter Milan Polytechnic, og det nationale universitet i Cordoba.

Samlet set, han sagde, den "eklektiske" atmosfære af undersøgelserne i Scholes Lab bidrog til projektets succes.

"Konteksten er, dette laboratorium tænker på nogle af de mest presserende problemer inden for fysisk kemi, som ingen har tænkt over, og finder ud af, om de ideer, vi kommer med, er testbare, " sagde Kudisch. "Når du virkelig dykker ned i det, det vi er interesseret i er, hvor dybt ind i kaninhullet i ultrahurtig spektroskopi vi kan gå, og hvad det kan give os mulighed for at lære inden for en række forskellige områder."