1250
Рух електронів і протонів часто працює злагоджено — і в живих системах, і в створених людиною матеріалах. Найвідоміший приклад — протон-зв’язаний перенос електрона (PCET), процес, що відіграє центральну роль у клітинному диханні, фотосинтезі та фіксації азоту. Спираючись на попередні дослідження, команда під керівництвом професора Кайфена У з Даляньського інституту хімічної фізики Китайської академії наук вивчила ще один важливий, але погано зрозумілий процес — переніс триплетної енергії, пов’язаний із рухом протона. Роботу опублікували в Nature Materials.
Переніс триплетної енергії — один із головних способів переміщення енергії і в природних, і в синтетичних системах, однак він працює інакше, ніж переніс синглетної енергії. Розуміння того, як рух протона впливає на цей процес, могло б відкрити нові способи керувати потоком енергії в передових матеріалах. У дослідженні науковці описали невідомий раніше механізм — переніс триплетної енергії за допомогою «протонного човника» (PS-TET).
Процес спостерігали, коли енергія рухалася від колоїдних квантових точок на основі ZnSe до молекул-акцепторів фенол-піридину, прикріплених до їхньої поверхні. Коли квантові точки поглинають світло, вони переходять у збуджений стан. Тоді «дірка» переміщується від ZnSe до фенолу, а протон одночасно зсувається від фенолу до піридину. Далі електрон переходить від ZnSe до феноксильного радикала, і в цей самий момент протон повертається назад — до свого початкового положення.
Разом ці пов’язані кроки забезпечують загальне переміщення спін-триплетної енергії від квантових точок до молекул-акцепторів. Найцікавіше, що протон зрештою опиняється там, де й починав, — але його тимчасовий рух має величезний ефект. «Човник» значно підвищує і швидкість, і ефективність переносу триплетної енергії порівняно з метильованим аналогом, який такого протонного човника не має.
Ще одна знахідка стосується температури. Швидкість PS-TET майже не змінювалася з температурою, а це свідчить, що протон рухається не через звичайний, керований теплом процес, а завдяки квантовомеханічному тунелюванню. Розрахунки перекриття протонних коливальних хвильових функцій підтвердили це тлумачення. Іншими словами, дослідники показали, що квантові ефекти можна використовувати для керування переносом заряду й енергії у складних матеріалах навіть за кімнатної температури.
Практичні наслідки відкриття, за словами професора У, глибокі для багатьох сучасних молекулярних технологій, що використовують спін-триплетні збуджені стани молекул. У деяких застосуваннях більша ефективність генерації триплетів корисна — наприклад, у фотоокисно-відновному та екологічному каталізі. Підвищення ефективності таких процесів могло б покращити «зелену» хімію й очищення довкілля.
Водночас в інших технологіях утворення триплетів, навпаки, треба обмежувати. Органічні оптоелектронні пристрої — сонячні елементи й лазери — працюють краще, коли небажані триплетні стани придушені. Дослідження показує, що науковці зможуть налаштовувати утворення триплетів на власний розсуд: створення протонного човника посилює процес, а його усунення — послаблює чи запобігає йому. Це перетворює тонкий квантовий ефект на практичний «важіль» для інженерів матеріалів майбутнього.
