Ljus initierar många kemiska reaktioner. Experiment vid aser-centret vid Institutet för fysikalisk kemi vid den polska vetenskapsakademin och Warszawas universitets fysikfakultet har, för första gången, visade att genom att öka belysningsintensiteten, vissa reaktioner kan påskyndas avsevärt. Här, forskare uppnådde reaktionsacceleration med par av ultrakorte laserpulser.

För att noggrant undersöka arten av de processer som är involverade, forskarna använde ultrakorta på varandra följande par av laserpulser. En hög ökning av reaktionshastigheten mellan molekylerna observerades. Warszawa-forskarna har rapporterat sina fynd i Fysikalisk kemi Kemisk fysik .

"Våra experiment ger grundläggande kunskap om de fysiska processer som är viktiga för förloppet av viktiga ljusinducerade reaktioner. Denna kunskap kan potentiellt användas i många applikationer, speciellt när man har att göra med högintensiva ljuskällor. Dessa inkluderar, bland andra, olika mikroskopiska avbildningstekniker, ultrasnabb spektroskopi och solceller, särskilt om ljusfokuseringsenheter som solfångare används, " säger Dr. Gonzalo Angulo (IPC PAS).

I ljusinducerade reaktioner, en foton med lämplig energi upphetsar en färgmolekyl. När det finns en släckningsmolekyl nära den exciterade molekylen, en interaktion äger rum. Det kan ske en överföring av energi, en elektron eller en proton, mellan de två reaktanterna. Reaktioner av denna typ är vanliga. Ett bra exempel är elektronöverföring i fotosyntes, som spelar en nyckelroll i bildandet av jordens ekosystem.

En faktor som kan påverka reaktionshastigheten är intensiteten på ljuset som initierar dem. För att studera karaktären av dessa processer, kemisterna använde laserpulser som varar femtosekunder istället för den traditionella kontinuerliga ljusströmmen. Impulsernas energi justerades så att färgämnesmolekylerna flyttade till det exciterade energitillståndet. Pulserna grupperades i par. Intervallet mellan pulser i ett par var flera dussin pikosekunder (biljondelar av en sekund) och matchades med typen av reagerande molekyler och omgivningens lösning.

"Teorin och experimenten krävde omsorg och uppmärksamhet, men den fysiska idén i sig är ganska enkel, här, "konstaterar Jadwiga Milkiewicz, en doktorsexamen student vid IPC PAS, och förklarar:"För att reaktionen ska inträffa, det måste finnas en släckningsmolekyl nära den ljusexciterade färgämnesmolekylen. Så om vi har ett par molekyler som redan har reagerat med varandra, det betyder att de var tillräckligt nära varandra. Om, efter reaktionen, båda molekylerna har lyckats återgå till sitt grundtillstånd, absorptionen av en ny foton av färgämnet har potential att initiera en annan reaktion innan molekylerna flyttar bort från varandra i rymden."

Reaktionsförloppet i lösningar beror på många faktorer såsom temperatur, tryck, viskositet eller närvaron av ett elektriskt eller magnetiskt fält. Forskningen vid IPC PAS har visat att dessa faktorer också påverkar accelerationen av den kemiska reaktion som sker med en ökad belysningsintensitet. Under vissa förhållanden, accelerationen av reaktionen var omärkbar; under optimala förhållanden, reaktionshastigheten ökade med 25 till 30 procent.

"I våra experiment hittills, vi har koncentrerat oss på ljusinducerade elektronöverföringsreaktioner – det vill säga, de som förändrar molekylernas elektriska laddning. Dock, vi ser ingen anledning till varför den mekanism vi har observerat inte skulle kunna fungera i andra varianter av dessa reaktioner. Så inom en snar framtid, vi kommer att försöka bekräfta dess effektivitet i energiöverföringsreaktioner eller i reaktioner som även involverar protonöverföring, "säger Dr Angulo.