Kredit:CC0 Public Domain
I hjärtat av energiomvandlingen rör sig elektroner och protoner i en intrikat, koordinerad dans. Kemister på Yale och i Sverige säger att de kan ha lärt sig stegen till en ny, fotokemisk rhumba.
Upptäckten, publicerad i tidskriften Science , skulle kunna ge insikter om hur den naturliga världen omvandlar solenergi till bränsle, till exempel vid fotosyntes. Den kunskapen kan vara till hjälp vid utformningen av ny solenergiteknik och solceller.
"Även om det är sällsynt att upptäcka en ny, grundläggande typ av mekanism, var detta molekylära system redo att avslöja ett sådant spännande beteende", säger Sharon Hammes-Schiffer, Sterling professor i kemi vid Yale. "Detta arbete var endast möjligt genom ett starkt samarbete mellan teori och experiment."
Hammes-Schiffer är medförfattare till studien, tillsammans med James Mayer, Charlotte Fitch Roberts professor i kemi vid Yale, och Leif Hammarström, kemiprofessor vid Uppsala universitet, i Sverige.
Den nya studien utökar tidigare arbete av forskarna, där de fann att vissa molekyler, när de bestrålas, kan uppvisa en effekt som kallas Marcus inverterad region (MIR). I MIR saktar en elektronöverföringsreaktion överraskande nog ner eftersom den blir energetiskt gynnsammare. MIR-effekten anses vara central för effektiviteten av fotosyntes, säger forskare, eftersom den saktar ner energiprocesser som är slösaktiga. Det tidigare arbetet avslöjade MIR-beteendet för vad de beskriver som en protonkopplad elektronöverföringsreaktion (PCET).
Men forskarna noterade också att vissa av molekylerna de studerade inte visade MIR. De misstänkte att det kunde finnas en separat, hittills okänd fotokemisk process på jobbet. Beräkningar från Hammes-Schiffers grupp föreslog en konkurrerande mekanism där elektronisk energiöverföring och protonöverföring är "kopplade".
Och det är verkligen vad teamet fann i den nya studien.
I en serie fotokemiska experiment löste forskarna molekyler vid mycket låga temperaturer (77 grader K, eller -321 F) i en typ av glas som isolerade den nya mekanismen. Efter att ha belyst de kalla molekylerna med ljus, observerade teamet fluorescens associerad med den nya mekanismen, som de kallar protonkopplad energiöverföring (PCEnT).
Under PCEnT överförs energin från fotoexcitation i ett fragment av en molekyl till ett andra fragment som finns i molekylen. Denna energiöverföring involverar inte elektronöverföring mellan de två fragmenten; den är kopplad till en protonöverföring som sker inom det andra fragmentet. Processen är alltså inte PCET, som involverar elektronöverföring, utan snarare PCEnT, som involverar energiöverföring.
"Elektroniska energiöverföringar mellan molekyler eller delar av molekyler har länge varit kända och är viktiga i många ljusdrivna processer", säger Mayer. "PCEnT verkar vara det första exemplet på fotokemisk energiöverföring som är kopplad till rörelse av en atom eller en kärna."
Medförfattarna till studien är Zhen Tao från Yale och Belinda Pettersson Rimgard vid Uppsala universitet. Ytterligare författare är doktoranden Laura Cotter från Yale och tidigare Yale-postdoktor Giovanny Parada. + Utforska vidare
