Forskare vid University of California, Riverside, ha, för första gången, framgångsrikt använt elektriska dipoler för att helt undertrycka elektronöverföring i en riktning samtidigt som den accelererade i den andra. Upptäckten kan hjälpa utvecklingen av förbättrade solceller och andra energiomvandlingsanordningar och påskynda utformningen av nya och suveräna energi- och elektroniska material.

Det är inte lätt att säga att livet beror på strikt reglerad elektronöverföring.

Elektronöverföring är en av de mest grundläggande processerna för att upprätthålla liv och för energiomvandling. Det uppstår när en elektron rör sig från en atom eller molekyl till en annan, tar med sig sin elektriska energi. Fotosyntes, mitokondriell och cellulär andning, och kvävefixering är bland de många biologiska processer som möjliggörs av den ordnade rörelsen av elektroner.

Eftersom elektronöverföring är både allmänt förekommande och viktigt, forskare har investerat enorma ansträngningar för att förstå processen, och använde det de lärde sig för att skapa solceller, bränsleceller, batterier och många andra enheter som också är beroende av effektiv elektronöverföring.

Men den känsliga elektronbaletten i levande varelser koreograferad genom eoner av evolution är mer som scendykning i en mosh-grop när den tillämpas på mänskligt skapad teknologi.

Forskare kan kontrollera elektronöverföring till viss del, men har svårt att samla alla subatomära partiklar i en enda riktning. När de riktar elektroner framåt, oundvikligen, vissa går också bakåt, orsakar energiförlust.

Valentine Vullev, professor i bioteknik vid Bourns College of Engineering, ledde ett internationellt team av forskare från UC Riverside, Polen, Tjeckien, och Japan som använde molekylära dipoler för att utnyttja elektronöverföring. Molekylära dipoler uppstår när en av atomerna i en molekyl har en sammansättning som är mer benägen att dra till sig elektroner, som har en negativ elektrisk laddning. Molekylära dipoler finns överallt och har kraftfulla, elektriska fält i nanoskala som kan styra önskade elektronöverföringsprocesser och undertrycka oönskade.

Medan elektriska dipoler genererar enorma fält runt dem, minskar styrkan hos de elektriska fälten snabbt med avståndet. Därför, det är viktigt att placera dipolen så nära elektronöverföringsmolekylerna som möjligt.

Vullevs grupp inkorporerade dipolen i elektrondonatormolekylen, 5-N-amido-antranilamid elektret, ett ämne med semipermanent elektrisk laddning och dipolpolarisation, liknar en magnet. Forskarna exponerade elektreten för olika lösningsmedel för att utlösa elektronöverföring. Med lågpolaritetslösningsmedel förbättrade de effekten av dipolerna avsevärt och styrde alla elektroner i bara en riktning.

Detta är första gången som forskare har visat att dipolen accelererar elektronöverföringen i en riktning och helt undertrycker den i den andra.

"Denna upptäckt öppnar dörrar för att styra elektronöverföringsprocesser framåt, samtidigt som den undertrycker oönskad bakåtgående elektrontransduktion, som är en av fotofysikens och energivetenskapens heliga graler, sa Vullev.

Nyckeln låg i att hitta en fin balans mellan att sänka lösningsmedlets polaritet för att förbättra dipoleffekten utan att döda elektronöverföringen tillsammans. Specialdesignade molekylära komponenter med rätt elektroniska egenskaper bidrog till att optimera denna balans.

"Medan det verkar som att vi löser ett viktigt fysikalisk kemi- och fysikproblem, resultaten från vårt arbete kan ha breda tvärvetenskapliga effekter, och visa sig vara viktiga för relevanta områden, som molekylärbiologi, cellfysiologi, och energivetenskap och teknik, ", sa Vullev. "En bättre förståelse av elektronöverföring på molekylär nivå kommer att förbättra vår förståelse av levande system och tjäna som en grund för effektiv energiteknik."