Princeton University Department of Chemistry publicerar forskning denna vecka som bevisar att ett applicerat magnetfält kommer att interagera med den elektroniska strukturen hos svagt magnetiska, eller diamagnetisk, molekyler för att inducera en magnetfältseffekt som, såvitt de vet, har aldrig tidigare dokumenterats.

Med experimentell tillämpning av magnetfält upp till 25 Tesla, molekyler med liten inneboende magnetism uppvisar magnetokänsliga optiska och fotofysiska egenskaper, enligt tidningen, "Ringströmmar modulerar optoelektroniska egenskaper hos aromatiska kromoforer vid 25 Tesla, " publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ).

Gregory Scholes, William S. Todd professor i kemi, och Bryan Kudisch, en doktorand på femte året och tidningens huvudförfattare, sade upptäckten kan tillåta forskare att fundamentalt förändra de elektroniska och fotofysiska egenskaperna hos vissa klasser av molekyler genom att använda magnetfältet som ett "handtag".

Experimenterar med ett magnetfält som är nästan 1M gånger starkare än jordens, forskare i Scholes-gruppen kunde modifiera de optoelektroniska egenskaperna hos modeller av icke-magnetiska organiska kromoforer. Ändringarna, enligt tidningen, uppstår från induktionen av ringströmmar i de aromatiska molekylerna.

"Ingen skulle förvänta sig att en organisk molekyl utan metall och ingen inneboende magnetism skulle ha en så uppenbar magnetfältseffekt, ", sa Kudisch. "Vi använder några av de största magnetfälten som genereras på jorden, det är rättvist. Men samtidigt, vi ser något som aldrig har setts förut. Och för att sedan komma med en lämplig förklaring som åberopar en magnetfältseffekt som vanligtvis ses i kärnmagnetisk resonans (NMR), nämligen aromatiska ringströmmar, är mycket tillfredsställande."

Aromatiska ringströmmar kan förstås som förslaget att elektroner som delokaliseras av aromaticitet kommer att röra sig cirkulärt när ett magnetfält appliceras vinkelrätt mot det aromatiska planet, typiskt knuffar kemiska förskjutningar av närliggande atomer i NMR-spektroskopi.

"Denna forskning visar att detta är ett fenomen med mycket verkliga kemiska implikationer, " tillade Kudisch. "Här, Vi har tagit något som är vanligt i en typ av spektroskopi och har visat hur det förändras på ett helt oväntat sätt när vi använder våra spektroskopiska metoder."

För experimentet, forskare valde en modell för aromatisk kromofor som kallas en ftalocyanin, som har en molekylstruktur som liknar klorofyll – naturens ljusabsorbent – ​​men med starkare absorption av synligt ljus och högre stabilitet. Beräkningarna på denna modell ftalocyaninförening och dess aggregat visade tydliga, magnetfältsberoende förändringar av ftalocyanins förmåga att absorbera ljus. Dessa resultat är de första som visar magnetfältsberoende förändringar i absorptionsspektrumet för diamagnetiska molekyler. Men det var inte förrän forskarna använde den klassiska analogen av solenoiden som experimentet skärptes till klarhet.

En solenoid är en elektromagnetisk enhet som effektivt omvandlar elektrisk och magnetisk energi med hjälp av ledande slingor av tråd arrangerade som en fjäder. Med deras tänkande grundat i solenoidernas beteende, Kudisch sa, de kunde rationalisera att den ökade magnetfältskänsligheten de observerade i ftalocyaninaggregaten kunde bero på det relativa arrangemanget av ftalocyaninringarna i aggregatet.

"Det här gav inte bara extra validering till vårt beräkningsstöd, men det gav också tilltro till denna idé om kopplade aromatiska ringströmmar - ringströmmarna hos närliggande ftalocyaninkromoforer i aggregatet har en geometri som beror på förstärkning av magnetfältets känslighet, sa Kudisch. Precis som solenoiden.

Inleddes för tre år sedan, forskningsprojektet kombinerade experiment med ett högt magnetfält och ultrasnabb spektroskopi. En del av det framfördes med Split-Florida Helix Magnet på National High Magnetic Field Facility i Tallahassee, Florida, som stoltserar med världens starkaste magnet för NMR-spektroskopi. Denna unika magnet kan nå och upprätthålla magnetfältstyrkor på upp till 25 T på ett helt resistivt sätt - i och för sig troligen den mest kraftfulla solenoiden på planeten. När den är i drift, magneten använder 2% av strömmen i staden.

Scholes noterade att PNAS papper markerar hans grupps andra publikation från arbetet med Florida split-helix magnet, ett samarbete som startade för över åtta år sedan när magneten designades. Hans grupps roll var att föreslå och designa det ultrasnabba lasersystemet som ansluter till magneten.

"Det är relativt lätt att få så höga magnetfält på en NMR-magnet, men våra experiment kräver att du får ljus och lyser det på provet och sedan får det ljuset ut på något sätt. Och för det, vi behövde labbet i Tallahassee. Det är ett gäng nästan omöjligheter som går samman, sa Kudisch.

Kudisch sa att att få ftalocyaninaggregat i form av organiska nanopartiklar för sina experiment var "den enklaste delen, " på grund av tidigare samarbeten med Princetons Department of Chemical and Biological Engineering. Andra medarbetare på uppsatsen inkluderar Milan Polytechnic, och det nationella universitetet i Cordoba.

Övergripande, han sa, den "eklektiska" atmosfären i undersökningarna i Scholes Lab bidrog till projektets framgång.

"Kontexten är, det här labbet funderar på några av de mest pressande problemen inom fysikalisk kemi som ingen har tänkt på och tar reda på om de idéer vi kommer med är testbara, " sa Kudisch. "När du verkligen dyker ner i det, vad vi är intresserade av är hur djupt in i kaninhålet av ultrasnabb spektroskopi vi kan gå, och vad det kan tillåta oss att lära oss inom en mängd olika områden."