Lær nogle nye trin i energikonverteringsdansen

I hjertet af energiomdannelsen bevæger elektroner og protoner sig i en indviklet, koordineret dans. Kemikere på Yale og i Sverige siger, at de måske har lært trinene til en ny, fotokemisk rhumba.

Opdagelsen, offentliggjort i tidsskriftet Science , kunne give indsigt i, hvordan den naturlige verden omdanner solenergi til brændstof, såsom i fotosyntese. Den viden kan hjælpe i design af ny solenergiteknologi og solceller.

"Selvom det er sjældent at opdage en ny, grundlæggende type mekanisme, var dette molekylære system klar til at afsløre en sådan spændende adfærd," sagde Sharon Hammes-Schiffer, Sterling Professor i kemi ved Yale. "Dette arbejde var kun muligt gennem et stærkt samarbejde mellem teori og eksperiment."

Hammes-Schiffer er co-korresponderende forfatter til undersøgelsen sammen med James Mayer, Charlotte Fitch Roberts professor i kemi ved Yale, og Leif Hammarström, en kemiprofessor ved Uppsala Universitet, i Sverige.

Den nye undersøgelse udvider tidligere arbejde fra forskerne, hvor de fandt ud af, at visse molekyler, når de bestråles, kan udvise en effekt kendt som Marcus inverted region (MIR). I MIR bliver en elektronoverførselsreaktion overraskende langsommere, da den bliver energimæssigt mere gunstig. MIR-effekten anses for at være central for effektiviteten af ​​fotosyntese, siger videnskabsmænd, fordi den bremser energiprocesser, der er spild. Det tidligere arbejde afslørede MIR-adfærden for, hvad de beskriver som en protonkoblet elektronoverførselsreaktion (PCET).

Forskerne bemærkede dog også, at nogle af de molekyler, de undersøgte, ikke viste MIR. De havde mistanke om, at der kunne være en separat, hidtil ukendt fotokemisk proces på arbejde. Beregninger fra Hammes-Schiffers gruppe foreslog en konkurrerende mekanisme, hvor elektronisk energioverførsel og protonoverførsel er "koblet".

Og det er faktisk, hvad holdet fandt i den nye undersøgelse.

I en række fotokemiske eksperimenter opløste forskerne molekyler ved meget lave temperaturer (77 grader K eller -321 F) i en type glas, der isolerede den nye mekanisme. Efter at have belyst de kolde molekyler med lys, observerede holdet fluorescens forbundet med den nye mekanisme, som de kalder protonkoblet energioverførsel (PCEnT).

Under PCEnT overføres energien fra fotoexcitation i et fragment af et molekyle til et andet fragment placeret i molekylet. Denne energioverførsel involverer ikke elektronoverførsel mellem de to fragmenter; det er koblet til en protonoverførsel, der forekommer i det andet fragment. Processen er således ikke PCET, som involverer elektronoverførsel, men derimod PCEnT, som involverer energioverførsel.

"Elektroniske energioverførsler mellem molekyler eller dele af molekyler har længe været kendt og er vigtige i mange lysdrevne processer," sagde Mayer. "PCEnT ser ud til at være det første eksempel på fotokemisk energioverførsel, der er koblet til bevægelse af et atom eller en kerne."

Medforfatterne til undersøgelsen er Zhen Tao fra Yale og Belinda Pettersson Rimgard fra Uppsala Universitet. Yderligere forfattere er kandidatstuderende Laura Cotter fra Yale og tidligere Yale postdoc-stipendiat Giovanny Parada. + Udforsk yderligere

Forskere observerer Marcus omvendte område for ladningsoverførsel fra lavdimensionelle halvledermaterialer