Движение электронов и протонов часто тесно связано как в живых организмах, так и в искусственных материалах. Такие процессы играют важную роль в клеточном дыхании, фотосинтезе, фиксации азота, а также в устройствах для преобразования и хранения энергии.
Группа исследователей под руководством профессора Кайфэна У из Даляньского института химической физики Китайской академии наук изучила малоизвестный механизм, при котором движение протона влияет на перенос энергии между возбуждёнными состояниями молекул.
В работе, опубликованной в журнале Nature Materials, учёные описали ранее неизвестный процесс — перенос энергии при помощи протонного «челнока». Его наблюдали между квантовыми точками на основе селенида цинка и молекулами фенола и пиридина, прикреплёнными к их поверхности.
Когда квантовая точка поглощает свет, она переходит в возбуждённое состояние. Затем положительный заряд перемещается от селенида цинка к фенолу, а протон одновременно переходит от фенола к пиридину.
После этого электрон движется от квантовой точки к образовавшемуся феноксильному радикалу. В тот же момент протон возвращается от пиридиния на своё первоначальное место. Эта последовательность связанных переходов в итоге переносит энергию от квантовой точки к молекулярной паре фенола и пиридина.
Сам протон в конце процесса оказывается там же, где находился изначально. Однако его временное перемещение резко повышает скорость и эффективность передачи энергии. В похожей системе, где подвижный протон был заменён метильной группой, перенос происходил значительно хуже.
Исследователи также выяснили, что добавление к пиридину трифторметильной группы, сильно притягивающей электроны, способно изменить порядок переноса электрона, положительного заряда и протона.
Особенно необычным оказалось то, что скорость процесса почти не зависела от температуры. Это указывает на то, что протон перемещается не обычным способом за счёт тепловой энергии, а благодаря квантовому туннелированию.
Расчёты колебательных волновых функций протона подтвердили такое объяснение. Их перекрытие определяет, по каким путям возбуждённая система будет терять энергию, направляя её к эффективному переносу.
Результаты показывают, что квантовые эффекты могут управлять движением зарядов и энергии в сложных материалах даже при комнатной температуре.
Открытие может оказаться полезным для технологий, использующих возбуждённые состояния молекул. Повышение эффективности их образования способно улучшить фотохимический и экологический катализ.
Однако в некоторых устройствах такие состояния, наоборот, нежелательны. Органические солнечные элементы и лазеры могут работать эффективнее, если подавить их образование.
Учёные предполагают, что новым механизмом можно будет управлять: добавление протонного «челнока» усилит перенос энергии, а его удаление — замедлит или полностью подавит этот процесс.
