Учёные из университета Кобе разработали новую молекулу, которая позволяет энергии быстро перемещаться внутри её структуры. Это делает преобразование света более эффективным и настраиваемым.
Преобразование света: проблема и решение
Низкая энергия света распространена и безвредна, но многие технические приложения, от производства солнечной энергии до лечения, зависят от света с высокой энергией. Чтобы повысить эффективность сбора света и максимально избежать использования света с высокой энергией в технологиях лечения, можно соединить две частицы света с низкой энергией в одну частицу с высокой энергией в процессе, называемом «преобразованием».
Однако для этого необходимо, чтобы две молекулы, каждая из которых поглотила световую частицу, столкнулись друг с другом в правильной ориентации. Исследователи всё ещё ищут способ улучшить и контролировать этот процесс.
Исследования фотосенсора Кобери Ясухиро
Кобери Ясухиро, фотосенсорик из университета Кобе, изучал противоположный процесс — передача возбуждённой молекулой половины своей энергии возбуждения другой молекуле. Он говорит: «Мы разработали аналитический метод, позволяющий выяснить, как поглощённая энергия изменяет молекулу и как она перемещается, и я считаю, что это может быть полезно при попытке добиться преобразования».
В принципе, есть два способа увеличить вероятность того, что энергия возбуждения перейдёт от одной молекулы к другой:
* либо позволить молекулам чаще сталкиваться друг с другом, уменьшив вязкость среды;
* либо увеличить площадь, на которой может происходить реакция.
Но существует предел того, насколько жидкой может быть среда, а увеличение площади реакции часто означает, что эффективно передаваемая энергия будет ниже.
Результаты исследования
В журнале Angewandte Chemie International Edition Кобери и его команда сообщают, что они создали молекулу, которая позволяет на 20% ускорить слияние энергии по сравнению с предыдущими материалами.
«Мы использовали три молекулы антрацена, которые расположены как антенны в трёх разных направлениях вокруг центрального атома бора. Это позволяет возбуждённому состоянию, которое мы называем «триплетным экситоном», быстро перемещаться по трём антраценам и, по сути, позволяет ему исследовать большее пространство и множество конфигураций без потери энергии», — объясняет Кобери.
Перемещение происходит настолько быстро, что оно быстрее, чем обычная продолжительность молекулярного столкновения, что делает весьма вероятным правильное ориентирование возбуждённых триплетных состояний и возможность протекания процесса преобразования энергии, называемого «триплет-триплетной аннигиляцией».
Дальнейшие исследования
Изучая механику этого процесса, исследователи из университета Кобе сделали ещё одно открытие. Они обнаружили, что могут контролировать люминесценцию, изменяя вязкость среды, поскольку более вязкие материалы снижают как скорость столкновения молекул, так и способность возбуждённого триплетного состояния перемещаться между частями одной молекулы.
Кобери говорит: «Мы думаем, что с помощью этого можно отслеживать жидкую среду в микроскопических областях, например, внутри клеток».
То, что обнаружили Кобери и его команда, — это не только лучшая молекулярная конфигурация, но и стратегия молекулярного дизайна. Они ожидают, что внедрение такой внутримолекулярной перспективы может ускорить разработку высокоэффективных преобразователей.
Кобери говорит: «Мы ожидаем, что эта разработка может способствовать решению глобальных энергетических проблем, а также расширить возможности в широком спектре областей, таких как терапия рака и диагностика, за счёт использования безвредного света с низкой энергией и преобразования его in situ».
Предоставлено: университет Кобе.