Et molekyle, der fungerer som et nanobatteri

Hvordan fungerer molekylære katalysatorer - molekyler, som som enzymer, kan udløse eller fremskynde visse kemiske reaktioner – funktion, og hvilke effekter har de? Et team af kemikere ved universitetet i Oldenburg er kommet tættere på svarene ved hjælp af et modelmolekyle, der fungerer som et molekylært nanobatteri. Den består af flere titaniumcentre forbundet med hinanden af ​​et enkelt lag af indbyrdes forbundne kulstof- og nitrogenatomer. Forskerholdet på syv medlemmer har for nylig offentliggjort sine resultater, som kombinerer resultaterne af tre flerårige ph.d. forskningsprojekter, i ChemPhysChem . Tidsskriftet fysisk kemi og kemisk fysik fremhævede grundforskningen fra Oldenburg på forsiden.

For at få en bedre forståelse af, hvordan molekylet virker, forskerne, ledet af førsteforfatterne Dr. Aleksandra Markovic og Luca Gerhards og den tilsvarende forfatter Prof. Dr. Gunther Wittstock, udførte elektrokemiske og spektroskopiske eksperimenter og brugte universitetets højtydende computerklynge til deres beregninger. Wittstock ser udgivelsen af ​​papiret som en "succeshistorie" for begge de forskeruddannelsesgrupper, inden for hvilke ph.d. projekter blev gennemført og for universitetets computerklynge. "Uden den højtydende computerinfrastruktur, vi ville ikke have været i stand til at udføre de omfattende beregninger, der kræves for at tyde molekylets adfærd, " siger Wittstock. "Dette understreger vigtigheden af ​​sådanne computerklynger for aktuel forskning."

I avisen, forfatterne præsenterer resultaterne af deres analyse af en molekylær struktur, prototypen, som var resultatet af en uventet kemisk reaktion, som først blev rapporteret af Oldenburgs kemiafdeling i 2006. Det er en meget kompleks molekylær struktur, hvor tre titaniumcentre (almindeligvis omtalt i gymnasietimer som titaniumioner) er forbundet til hinanden af ​​en broligand bestående af kulstof og nitrogen. En sådan forbindelse forventes blandt andet at være i stand til at acceptere og frigive flere elektroner gennem udveksling af elektroner mellem metalcentrene.

At opnå en ordentlig forståelse af disse processer er af særlig interesse, ikke kun for grundforskning, men også til at udløse eller accelerere vigtige reaktioner, hvor mere end én elektron overføres. Sådanne reaktioner er fortsat en stor udfordring i tekniske systemer, som der stadig ikke er nogen tilfredsstillende løsning på. "Mange indsats er i øjeblikket fokuseret på dette mål, " siger Wittstock. Et eksempel er brændselscelleteknologi, som kræver samtidig overførsel af fire elektroner til et oxygenmolekyle for at opnå en strøm af elektroner fra brint til oxygen, forklarer han. "Sådanne multi-elektron reaktioner har også et stort potentiale for at spare materialer eller energi i kemisk produktion."

Den molekylære modelforbindelse bestående af broliganden og titaniumcentrene blev specifikt designet til at hjælpe forskerne med at få en detaljeret forståelse af, hvordan forbindelser med flere metalcentre er i stand til at acceptere og frigive elektroner. Forskerne ophidsede molekylet med lys, hvorpå molekylerne reagerede forskelligt afhængigt af antallet af accepterede og frigivne elektroner. Desværre, molekylet lavet i 2006 viste sig at være dårligt opløseligt i de fleste opløsningsmidler og derfor svært at studere. Ved hjælp af kemisk syntese, Dr. Pia Sander, en medforfatter af papiret, tilføjet propellignende molekylære motiver til forbindelsen for at forbedre dens opløselighed. Dette gav grundlaget for Markovics eksperimenter, som afslørede, at modelforbindelsen kunne acceptere i alt tre elektroner eller frigive seks elektroner - en usædvanlig høj kapacitet for et enkelt molekyle. I hver af disse reaktioner, ikke kun den synlige farve på molekylet ændrer sig, men absorptionen af ​​lys i de spektralområder, som er usynlige for det menneskelige øje. I første omgang, imidlertid, de præcise ændringer i molekylet med forskellige antal elektroner kunne ikke bestemmes på basis af disse spektralområder.

Det var her, Luca Gerhards og universitetets computerklynge kom i spil. Selvom almindelige forklaringer er baseret på den forudsætning, at i hver overgang exciteret af lys kun energien af ​​en enkelt elektron ændres, medforfatter Gerhards undgik disse forenklede antagelser i sine kvantekemiske ligninger. Dette gjorde beregningerne endnu mere komplekse og holdt den højtydende computerklynge beskæftiget i flere måneder. Til sidst, resultatet kom som en overraskelse for alle involverede:Flere elektroner ændrer deres energiniveauer samtidigt, når lys rammer det molekyle, der undersøges. I øvrigt, denne ladning opbevares ikke i titanium, som man kunne forvente, men hovedsagelig i broliganden, 'linket' mellem titaniumcentrene.

Som Wittstock forklarer, metalcentrene giver således en positivt ladet "ramme" til elektronlagring, som i et "nanobatteri". Modelmolekylet - og i forlængelse heraf en hel klasse af lignende forbindelser - har vist sig at være et "minisegment af et energilagermateriale". Selvom deres fulde potentiale ikke kan bestemmes på dette stadium, Wittstock mener, at sådanne "rammer" med molekylære ladningslagringsmotiver kan blive et nyt designelement i komplekse molekylære katalysatorer til multi-elektronreaktioner.