Когда молекулы поглощают свет, будь то в солнечных батареях или в человеческом глазу, электроны внутри них переходят из основного состояния в возбуждённое состояние с более высокой энергией. Это приводит к переносу энергии и заряда, разделению зарядов и, в конечном итоге, к генерации электричества.
Международная группа учёных под руководством доктора Антониетты Де Сио и профессора доктора Кристофа Линау из исследовательской группы Ultrafast Nano-Optics в Университете Ольденбурга (Германия) наблюдала самые ранние этапы этого процесса в сложной молекуле красителя. Как сообщают исследователи в журнале Nature Chemistry, высокочастотные колебания атомных ядер внутри молекулы играют центральную роль в этом светоиндуцированном переносе заряда.
Их эксперименты показали:
- Силы, которые эти колебания оказывают на электроны, инициируют транспорт заряда.
- Процессы в окружающем растворителе, которые ранее предполагалось инициировать перенос заряда, начинаются только на более позднем этапе.
«Наши результаты дают новое понимание переноса заряда, например, в органических солнечных батареях, и могут способствовать разработке более эффективных материалов», — подчёркивает Де Сио.
Синтез красителя
Исследуемый краситель был синтезирован группой исследователей под руководством профессора доктора Петера Бёлерле из Университета Ульма (Германия). Этот тип молекулы-красителя является основным компонентом пластика, используемого в органических солнечных батареях для преобразования солнечного света в электричество.
«Каждая молекула состоит из трёх частей: центрального ядра, соединённого с двумя идентичными группами, одной справа и одной слева», — объясняет Де Сио.
Центральное ядро молекулы является донором электронов — материалом, который легко отдаёт электроны. Две внешние группы, напротив, могут принимать возбуждённые электроны. Они известны как акцепторы электронов. При световом возбуждении электроны теоретически могут переместиться в любую из двух принимающих групп — правую или левую.
Этот процесс, известный как нарушение симметрии в возбуждённом состоянии, приводит к характерному сдвигу цвета света, излучаемого молекулой, — эффекту, называемому сольватохромизмом, — превращая его из синего в красный. Однако микроскопический механизм, запускающий начальное нарушение симметрии, до сих пор был в значительной степени неизвестен.
Эксперименты в Ольденбурге
Команда из Ольденбурга решила более подробно изучить процесс нарушения симметрии. Докторанты Катрин Винте и Сомайех Сури использовали методы ультрабыстрой лазерной спектроскопии с временным разрешением менее 10 фемтосекунд (одна фемтосекунда равна одной миллионной миллиардной доли секунды) для возбуждения молекул красителя. С помощью этого метода они смогли отследить движение электронов и ядер в первые тысячи фемтосекунд после светового возбуждения.
Их эксперименты показали, что лазерные импульсы запускают высокочастотные колебания между атомами молекулы красителя в течение первых 50 фемтосекунд после фотовозбуждения.
«Атомы углерода внутри молекулы начинают колебаться», — поясняет Де Сио.
Эти колебания изменяют энергетические состояния внутри молекулы, создавая предпочтительное направление движения для возбуждённых электронов. В то же время молекулы окружающего растворителя, по-видимому, «заморожены» в этом временном масштабе — только на более медленном временном масштабе в несколько сотен фемтосекунд они также реорганизуются и стабилизируют процесс нарушения симметрии, так что молекула переходит в новое состояние, которое производит характерный сдвиг в спектре излучаемого цвета.
Чтобы подтвердить эти неожиданные результаты, исследователи повторили эксперимент с другим растворителем, в котором сольватохромизм — взаимодействие между красителем и растворителем — не происходит. Тем не менее здесь также были обнаружены начальные внутримолекулярные колебания.
Квантово-химические моделирования, проведённые в сотрудничестве с исследователями из Национальной лаборатории Лос-Аламоса (США) и Университета Бремена (Германия), подтвердили экспериментальные результаты.
«Наши результаты убедительно доказывают доминирующую роль вибронной связи с высокочастотными молекулярными колебаниями, а не флуктуациями растворителя, как основного фактора, инициирующего сверхбыстрый разрыв симметрии в квадрупольных красителях», — объясняет Линау. Он добавляет, что этот механизм может также применяться к твёрдым материалам и наноструктурам.
«Управление взаимодействием зарядов с молекулярными колебаниями и окружающей средой имеет решающее значение для технологических применений этих материалов», — отмечает Де Сио. «Таким образом, наши результаты могут иметь значительные последствия для разработки эффективных светочувствительных материалов, а также для углубления понимания светоиндуцированного переноса заряда в наномасштабных системах».
Предоставлено Университетом Ольденбурга.