Et nyt mikroskop afslører miraklet ved molekylær ilt

Forskere ved University of Regensburg sporer det første trin i reaktionen af ​​et enkelt farvestofpigment med ilt i en hidtil uset opløsning.

Hvorfor falmer farverne på en t-shirt over tid i solen? Hvorfor får du en solskoldning, og hvorfor bliver bladene på et træ brune om efteråret? Disse spørgsmål har alle ét tema til fælles - samspillet mellem farvestofpigmenter og omgivende ilt. Hvert barn lærer om denne kemiske reaktion i skolen, som er oxidationsprocessen i luften, som vi indånder. Så hvad kan der eventuelt overlades til forskning?

Oxygen er et forbløffende molekyle, idet det er magnetisk. I flydende form, ved meget lave temperaturer, det kan afhentes af en magnet, ligesom jernfilter kan. Denne egenskab er relateret til elektronerne i iltet. Alle molekyler består af atomkerner og elektroner, som opfører sig som minimale nåle af et kompas. Som regel, disse nåle placeres parvis i modsatte retninger, så deres magnetiske kræfter slettes. I et iltmolekyle bestående af to iltatomer, imidlertid, de to kompassnåle peger i samme retning, gør ilt magnetisk.

Farvestofmolekyler, som dem, der bruges til at farve en t-shirt, ikke er magnetiske, fordi elektronernes kompassnåle peger i modsatte retninger. Når lyset skinner på et sådant molekyle, en bestemt farve på lyset vil blive absorberet, giver farvestoffet sit karakteristiske udseende. I denne proces med lysabsorbering, lysets energi overføres til en elektron i farvestofmolekylet, bryde den originale parring af to elektroner og tillade kompasnålen på den ophidsede elektron spontant at ændre dens justering. Når denne proces sker, elektronen kan ikke længere vende tilbage til sin oprindelige tilstand. Farvestofmolekylet bliver magnetisk, indtaste det, der omtales som en "triplet -tilstand".

Det er nu lykkedes et internationalt forskerhold ledet af prof. Jascha Repp at afsløre, hvordan denne trillingsenergi overføres fra et enkelt farvestofmolekyle til et enkelt iltmolekyle. Denne proces er en integreret del af hverdagen, hvor mange oxidationsreaktioner forløber via tilstanden exciteret trilling. Så længe molekylet er i denne tilstand, den bevarer den energi, som lyset tilfører den, derved lette kemiske reaktioner. De fleste kemiske reaktioner, såsom forbrænding, kræver noget indledende energi såsom en gnist for at begynde.

En fuldstændig spredning af energien i farvestofmolekylet nødvendiggør en anden omvendelse af justeringen af ​​den elektroniske kompassnål, hvilket er en langsom og usandsynlig proces. Alternativt kan lysenergien i farvestofmolekylet, som svarer til en magnetisk energi, kan simpelthen overføre til et yderligere magnetisk molekyle, såsom ilt - en proces der ligner at vende en stangmagnet ved at rotere en anden i nærheden. Denne energioverførsel ophidser farvestofmolekylet, men det har en tendens til at gøre selve iltmolekylet meget reaktivt, i sidste ende ødelægger farvestofmolekylet. Denne effekt kan ses i blegede t-shirts eller solforbrændinger, hvor farvestofmolekylerne er pigmenterne i huden.

Det er lykkedes teamet at spore denne energioverførsel mellem farvestoffet og iltmolekylet direkte i rummet, uden at ødelægge farvestofmolekylet. At gøre dette, enkelte molekyler blev placeret på en overflade og afkølet til meget lave temperaturer tæt på universets. Ved hjælp af et såkaldt "atomkraftmikroskop" bestående af en meget fin nål med kun et enkelt atom i spidsen, forskerne var i stand til at forestille sig de enkelte atomer i farvestofmolekylet ved at scanne spidsen hen over det. Ved at anvende en sekvens af elektriske pulser til farvestofmolekylet, de kunne drive den ind i den magnetiske trillingstilstand på en kontrolleret måde. Energioverførslen fra denne ophidsede trillingstilstand til iltmolekyler i nærheden blev derefter sporet i tide ved at måle minimale ændringer i den kraft, der virker på spidsen.

Denne nye tilgang, rapporteret i Videnskab , tillod forskerne at undersøge mange forskellige geometrier af arrangementet af farvestofmolekyle og ilt. På denne måde, samspillet mellem molekylære arrangementer på atomniveau og den hastighed, hvormed en sådan energioverførsel sker, kunne løses for første gang. Forskerne sigter nu mod endelig at kunne formulere en underliggende mikroskopisk ramme for grundlæggende oxidationsreaktioner. Ud over den ubelejlige fading af t-shirts, sådan et samspil mellem molekylær triplet -excitationer er af central betydning for en række teknologiske udviklinger, såsom i organiske lysemitterende dioder (OLED'er) og organiske solceller, i fotokatalytisk energiomdannelse og fotosyntese, og i fotodynamisk kræftbehandling.