Искусственная молекула «превратила» фотон в два возбужденных состояния

Lawrence W Chin/David Turban/Alex W Chin

Исследователи из Национальной лаборатории по изучению возобновляемой энергии синтезировали молекулу, которая способна поглощать один фотон и генерировать сразу два экситона — квазичастицы, представляющей собой сочетание электрона и дырки. Такие состояния оказались способны сохраняться на долгое время — порядка нескольких микросекунд. Статья об открытии опубликована в журнале Nature Chemistry.

Когда фотон попадает на полупроводниковый материал, он может создавать экситон. В некоторых органических молекулах эта квазичастица может расщепляться, образуя два триплетных экситона. Этот «синглет-триплетный переход» потенциально можно использовать и извлечь из каждого фотона больше энергии, чем возможно сегодня. Однако, если два полученных триплета соединятся друг с другом, они рекомбинируют и перестанут существовать. Кроме того, при процессе распада синглета на два стабильных триплета часто может происходить потеря энергии.

Идеальная органическая фотоэлектрическая молекула могла бы решить обе эти проблемы. Это значит, что она эффективно преобразует синглетные экситоны в триплеты без потери тепловой энергии и держит их на удалении друг от друга, чтобы они не могли рекомбинировать. Вместо того чтобы искать такую молекулу, авторы нового исследования решили разработать свою собственную. Опираясь на предыдущие исследования, ученые знали класс соединений, представители которого были бы на это способны. Однако исследователям необходимо было точно определить длину и структуру этих молекул, чтобы предотвратить рекомбинацию триплетов.

Для этого химики синтезировали серию молекул различной длины, построенных из хромофорных цепочек — групп атомов, способных эффективно поглощать и переизлучать энергию света. Исследователям потребовался год, чтобы спроектировать первые молекулы подобного рода. После тщательной сортировки полученных соединений по размерам, авторы обнаружили, что для успешного выделения двух триплетных экситонов необходима цепочка по меньшей мере из трех хромофорных групп.

На следующем этапе химики построили модель, описывающую движение молекул и их взаимодействие с излучением. Оказалось, что создавать два триплета новым соединениям помогает вращение. Принимая фотон, молекула закручивается вокруг своей центральной оси, а затем одна из ее средних частей движется в обратную сторону, пространственно разделяя два триплетных состояния. Благодаря этому они могут жить достаточно долго: порядка нескольких микросекунд.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.