科学家发现了纳米材料中相邻分子间的定向能量输运

   化学小能手        


当光线落在一种物质上,如绿叶或视网膜,某些分子传输能量和电荷。这最终导致电荷分离和发电。分子漏斗,即所谓的锥形交叉口,保证了这种输送的高效率和方向性。



一个国际物理学家小组现在观察到,这种锥形交叉也确保了纳米材料相邻分子间的定向能量传输。理论模拟验证了实验结果。到目前为止,科学家们只在一个分子中观察到这种现象。从长期来看,这些结果可能有助于开发更高效的纳米材料,例如有机太阳能电池。这项研究由德国奥尔登堡大学的Antonietta De Sio和不莱梅大学的Thomas Frauenheim领导,发表在科学期刊《自然纳米技术》上。


光化学过程在自然界和科技中都扮演着重要的角色:当分子吸收光时,它们的电子就转变成激发态。这种转变触发了极快的分子转换过程。例如,在人眼中,分子视紫红蛋白在吸收光后以某种方式旋转,从而最终触发电信号——视觉过程中最基本的步骤。


第一个实验证据的锥形交叉分子


的原因是一个特殊的属性视紫红质分子,Christoph Lienau解释说,奥尔登堡大学超快纳米光学教授和这项研究的共同作者:“旋转过程中总是发生在类似的方式,虽然从量子力学的角度有许多不同的分子运动的可能性。”


这是由于一个事实,即分子已经通过锥形漏斗交集在旋转过程中,作为一个2010年的研究表明,实验在视觉色素:“这种量子力学机制功能分子中像一个单行道:通道的能量在一定方向有一个非常高的概率,“Lienau解释道。


由奥尔登堡大学超快纳米光学研究小组资深科学家Antonietta De Sio和不莱梅大学计算材料科学教授Thomas Frauenheim领导的研究小组,现在已经在纳米材料中观察到了电子的这种单行通道。这种材料是由德国乌尔姆大学的同事合成的,已经用于高效有机太阳能电池设备中。


“使我们的结果特别的是,我们第一次通过实验证明了相邻分子之间的锥形交叉,”德西奥解释说。到目前为止,世界范围内的物理学家只观察到单个分子内的量子力学现象,只推测相邻的分子之间也可能存在圆锥形交叉。


理论计算支持实验数据


德西奥的团队通过使用超快激光光谱学的方法发现了这种电子的单行道:科学家们用持续时间只有几飞秒的激光脉冲照射材料。一飞秒是百万分之一十亿分之一秒。这种方法使研究人员能够记录光进入材料后立即发生的过程。这个小组能够观察到电子和原子核是如何通过圆锥形的交点运动的。


研究人员发现,电子与特定核振动之间的一种特别强的耦合,有助于将能量从一个分子转移到另一个分子,就像在一条单行道上一样。这正是在圆锥交点上发生的事情。De Sio说:“在我们研究的材料中,从第一次光激发到通过锥形交叉点只花了大约40飞秒。”


为了证实他们的实验观察,来自奥尔登堡和不莱梅的研究人员还与来自美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室和意大利摩德纳的CNR-Nano的理论物理学家进行了合作。“通过他们的计算,他们清楚地表明我们正确地解释了我们的实验数据,”德西奥解释说。


奥尔登堡大学的研究人员还不能详细估计这些量子力学单行道对未来分子纳米结构应用的确切影响。然而,从长远来看,这些新发现可能有助于设计用于有机太阳能电池的新型纳米材料或提高效率的光电子器件,或利用纳米结构开发人工眼睛。

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