Forskare vid University of Regensburg spårar det första steget i reaktionen av ett enda färgpigment med syre i en oöverträffad upplösning.

Varför bleknar färgerna på en t-shirt med tiden i solen? Varför blir du solbränd, och varför blir löven på ett träd bruna på hösten? Dessa frågor har alla ett gemensamt tema - samspelet mellan färgpigment och omgivande syre. Varje barn lär sig om denna kemiska reaktion i skolan, vilket är oxidationsprocessen i luften som vi andas. Så vad kan överlåtas till forskning?

Syre är en häpnadsväckande molekyl genom att den är magnetisk. I flytande form, vid mycket låga temperaturer, det kan plockas upp av en magnet ungefär som järnspån kan. Denna egenskap är relaterad till elektronerna i syret. Alla molekyler är uppbyggda av atomkärnor och elektroner, som beter sig som små nålar på en kompass. Vanligtvis, dessa nålar arrangeras i par och pekar i motsatta riktningar så att deras magnetiska krafter tar ut. I en syremolekyl som består av två syreatomer, dock, de två kompassnålarna pekar åt samma håll, gör syre magnetiskt.

Färgämnesmolekyler, som de som används för att färga en t-shirt, är inte magnetiska eftersom elektronernas kompassnålar pekar i motsatta riktningar. När ljus lyser på en sådan molekyl, en viss färg på ljuset kommer att absorberas, ger färgen dess karakteristiska utseende. I denna process av ljusabsorption, ljusets energi överförs till en elektron i färgämnesmolekylen, bryta den ursprungliga parningen av två elektroner och låta kompassnålen på den exciterade elektronen spontant ändra sin inriktning. När denna process inträffar, elektronen kan inte längre återgå till sitt ursprungliga tillstånd. Färgämnesmolekylen blir magnetisk, gå in i vad som kallas ett "tripletttillstånd".

En internationell forskargrupp under ledning av professor Jascha Repp har nu lyckats avslöja hur denna triplettenergi överförs från en enda färgämnesmolekyl till en enda syremolekyl. Denna process är en integrerad del av vardagen, där många oxidationsreaktioner fortgår via det exciterade tripletttillståndet. Så länge som molekylen finns i detta tillstånd, den behåller energin som tilldelas den av ljuset, vilket underlättar kemiska reaktioner. De flesta kemiska reaktioner, som förbränning, kräver viss initial energi som en gnista för att börja.

En fullständig förlust av energin i färgämnesmolekylen kräver ytterligare en omkastning av inriktningen av den elektroniska kompassnålen, vilket är en långsam och osannolik process. Alternativt ljusenergin i färgämnesmolekylen, som motsvarar en magnetisk energi, kan helt enkelt överföras till en ytterligare magnetisk molekyl, som syre – en process som ungefär liknar att vända en stavmagnet genom att rotera en annan i närheten. Denna överföring av energi deexciterar färgämnesmolekylen, men det tenderar att göra själva syremolekylen mycket reaktiv, till slut förstör färgämnesmolekylen. Denna effekt kan ses i blekta t-shirts eller solbränna, där färgämnesmolekylerna är pigmenten i huden.

Teamet har lyckats spåra denna överföring av energi mellan färgämnet och syremolekylen direkt i rymden, utan att förstöra färgämnesmolekylen. Att göra detta, enstaka molekyler placerades på en yta och kyldes till mycket låga temperaturer nära universums. Med hjälp av ett så kallat "atomkraftsmikroskop" som består av en mycket fin nål med bara en enda atom i spetsen, forskarna kunde avbilda de individuella atomerna i färgämnesmolekylen genom att skanna spetsen över den. Genom att applicera en sekvens av elektriska pulser på färgämnesmolekylen, de kunde driva den in i det magnetiska tripletttillståndet på ett kontrollerat sätt. Energiöverföringen från detta exciterade tripletttillstånd till syremolekyler i närheten spårades sedan i tid genom att mäta små förändringar i kraften som verkar på spetsen.

Detta nya tillvägagångssätt, redovisas i Vetenskap , tillät forskarna att undersöka många olika geometrier av arrangemanget av färgämnesmolekyler och syre. På det här sättet, samspelet mellan molekylära arrangemang på atomnivå och hastigheten med vilken sådan energiöverföring sker skulle kunna lösas för första gången. Forskarna siktar nu på att äntligen kunna formulera ett underliggande mikroskopiskt ramverk av fundamentala oxidationsreaktioner. Förutom den obekväma blekningen av t-shirts, ett sådant samspel mellan molekylära triplettexcitationer är av central betydelse för en rad tekniska utvecklingar, såsom i organiska lysdioder (OLED) och organiska solceller, i fotokatalytisk energiomvandling och fotosyntes, och i fotodynamisk cancerterapi.