Fotosensibilisatorer är molekyler som absorberar solljus och skickar den energin vidare för att generera elektricitet eller driva kemiska reaktioner. De är i allmänhet baserade på sällsynta, dyra metaller; så upptäckten att järnkarbener, med vanligt gammalt järn i sina kärnor, kan göra detta, för, har utlöst en våg av forskning de senaste åren. Men samtidigt som allt effektivare järnkarbener upptäcks, forskare måste förstå exakt hur dessa molekyler fungerar på atomnivå för att konstruera dem för högsta prestanda.

Nu har forskare använt en röntgenlaser vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory för att se vad som händer när ljus träffar en järnkarben. De upptäckte att den kan svara på två konkurrerande sätt, endast en av dem tillåter elektroner att flöda in i enheterna eller reaktionerna där de behövs. I detta fall, molekylen tog den energiproducerande vägen ungefär 60 % av tiden. Teamet publicerade sina resultat den 31 januari Naturkommunikation .

I en solcell, en järnkarben fäster vid halvledarfilmen på cellens yta med dess järnatom stickande upp. Solljus träffar järnatomen och frigör elektroner, som rinner in i karbenfästena. Om de sitter kvar på dessa fästen tillräckligt länge - 10 biljondelar av en sekund eller mer - kan de flytta in i solcellen och öka dess effektivitet. I kemi, energiökningen som fotosensibilisatorer ger hjälper till att driva kemiska reaktioner, men kräver ännu längre uppehållstider för elektronerna på karbenfästena.

För att beskriva hur detta fungerar, ett internationellt team ledd av forskare från Stanford PULSE Institute vid SLAC undersökte prover av järnkarben med röntgenlaserpulser från labbets Linac Coherent Light Source (LCLS). De mätte samtidigt två separata signaler som avslöjar hur molekylens atomkärnor rör sig och hur dess elektroner färdas in och ut ur järn-karbenbindningarna.

Resultaten visade att elektroner lagrades i karbenfästena tillräckligt länge för att utföra användbart arbete cirka 60 % av tiden; resten av tiden återvände de till järnatomen för tidigt, uträttar ingenting.

PULSEs Kelly Gaffney sa att det långsiktiga målet med denna forskning är att få nära 100 procent av elektronerna att stanna på karbener mycket längre, så energin från ljus kan användas för att driva kemiska reaktioner. Att göra det, forskare måste hitta designprinciper för att skräddarsy järnkarbenmolekyler för att utföra särskilda jobb med maximal effektivitet.