Hur fungerar molekylära katalysatorer – molekyler som, som enzymer, kan utlösa eller påskynda vissa kemiska reaktioner—funktion, och vilka effekter har de? Ett team av kemister vid universitetet i Oldenburg har kommit närmare svaren med hjälp av en modellmolekyl som fungerar som ett molekylärt nanobatteri. Den består av flera titancentra som är kopplade till varandra genom ett enda lager av sammankopplade kol- och kväveatomer. Forskargruppen på sju personer publicerade nyligen sina resultat, som kombinerar resultaten av tre fleråriga Ph.D. forskningsprojekt, i ChemPhysChem . Tidskriften fysikalisk kemi och kemisk fysik visade grundforskningen från Oldenburg på omslaget.

För att få en bättre förståelse för hur molekylen fungerar, forskarna, leds av förstaförfattarna Dr. Aleksandra Markovic och Luca Gerhards och motsvarande författare Prof. Dr. Gunther Wittstock, utförde elektrokemiska och spektroskopiska experiment och använde universitetets högpresterande beräkningskluster för sina beräkningar. Wittstock ser publiceringen av uppsatsen som en "framgångssaga" för båda de forskarutbildningsgrupper inom vilka doktoranden. projekt genomfördes och för universitetets datorkluster. "Utan den högpresterande datorinfrastrukturen, vi skulle inte ha kunnat utföra de omfattande beräkningar som krävs för att dechiffrera molekylens beteende, ", säger Wittstock. "Detta understryker betydelsen av sådana datorkluster för aktuell forskning."

I tidningen, författarna presenterar resultaten av sin analys av en molekylstruktur, vars prototyp var resultatet av en oväntad kemisk reaktion som först rapporterades av Oldenburgs universitets kemiavdelning 2006. Det är en mycket komplex molekylstruktur där tre titancentra (vanligen kallade titanjoner i gymnasielektioner) är sammankopplade till varandra genom en överbryggande ligand bestående av kol och kväve. En sådan förening skulle förväntas kunna acceptera och frigöra flera elektroner bland annat genom utbyte av elektroner mellan metallcentra.

Att få en ordentlig förståelse för dessa processer är av särskilt intresse inte bara för grundforskning, men också för att utlösa eller accelerera viktiga reaktioner där mer än en elektron överförs. Sådana reaktioner är fortfarande en stor utmaning i tekniska system, för vilket det fortfarande inte finns någon tillfredsställande lösning. "Många ansträngningar är för närvarande fokuserade på detta mål, " säger Wittstock. Ett exempel är bränslecellsteknik, som kräver samtidig överföring av fyra elektroner till en syremolekyl för att uppnå ett flöde av elektroner från väte till syre, han förklarar. "Sådana multielektronreaktioner har också stor potential för att spara material eller energi vid kemisk produktion."

Den molekylära modellföreningen som består av den överbryggande liganden och titancentrumen var speciellt utformad för att hjälpa forskarna att få en detaljerad förståelse för hur föreningar med flera metallcentra kan acceptera och frigöra elektroner. Forskarna exciterade molekylen med ljus, som molekylerna reagerade olika på beroende på antalet accepterade och frigjorda elektroner. Tyvärr, molekylen som tillverkades 2006 visade sig vara dåligt löslig i de flesta lösningsmedel och därför svår att studera. Med hjälp av kemisk syntes, Dr Pia Sander, en medförfattare till tidningen, tillsatt propellerliknande molekylära motiv till föreningen för att förbättra dess löslighet. Detta gav grunden för Markovics experiment, som avslöjade att modellföreningen kunde acceptera totalt tre elektroner eller frigöra sex elektroner - en ovanligt hög kapacitet för en enda molekyl. I var och en av dessa reaktioner, inte bara den synliga färgen på molekylen förändras, men absorptionen av ljus i de spektralområden som är osynliga för det mänskliga ögat. Initialt, dock, de exakta förändringarna i molekylen med olika antal elektroner kunde inte bestämmas på basis av dessa spektralområden.

Det var här Luca Gerhards och universitetets datorkluster kom in i bilden. Även om vanliga förklaringar är baserade på antagandet att i varje övergång som exciteras av ljus förändras bara energin hos en enskild elektron, medförfattaren Gerhards undvek dessa förenklade antaganden i sina kvantkemiska ekvationer. Detta gjorde beräkningarna ännu mer komplexa och höll det högpresterande datorklustret sysselsatt i månader. I slutet, resultatet kom som en överraskning för alla inblandade:Flera elektroner ändrar sina energinivåer samtidigt när ljus träffar molekylen som studeras. Dessutom, denna laddning lagras inte i titan, som man kan förvänta sig, men främst i den överbryggande liganden, "länken" mellan titancentrumen.

Som Wittstock förklarar, metallcentra ger alltså en positivt laddad "ram" för elektronlagring, som i ett "nanobatteri". Modellmolekylen – och i förlängningen en hel klass av liknande föreningar – har visat sig vara ett "minisegment av ett energilagringsmaterial". Även om deras fulla potential inte kan fastställas i detta skede, Wittstock tror att sådana "ramar" med lagringsmotiv för molekylära laddningar kan bli ett nytt designelement i komplexa molekylära katalysatorer för multielektronreaktioner.