Движение электронов и протонов часто происходит одновременно как в биологических системах, так и в инженерных материалах. Одним из наиболее известных примеров является сопряжённый перенос протона и электрона (PCET), играющий важную роль в биоэнергетике, клеточном дыхании, фотосинтезе и фиксации азота. Этот процесс также используется при создании искусственных материалов для преобразования и хранения энергии. Недавно был обнаружен ещё один связанный процесс — сопряжённый перенос энергии синглетного состояния с участием протона (PCEnT).

Исследование новых механизмов переноса энергии

На основе предыдущих работ по PCET и PCEnT, исследовательская группа изучила ещё один малоизученный процесс — перенос энергии триплетного состояния, связанный с движением протона. Перенос энергии триплетного состояния является основным способом передачи энергии в природных и синтетических системах, однако отличается от переноса энергии синглетного состояния. Понимание влияния движения протона на этот процесс может привести к новым методам управления потоками энергии в современных материалах.

В опубликованной работе был описан ранее неизвестный механизм, получивший название перенос энергии триплетного состояния с помощью протонного шаттла (PS-TET). Этот процесс был обнаружен при передаче энергии от коллоидных квантовых точек на основе ZnSe к акцепторам фенол-пиридин, закреплённым на их поверхности.

Механизм переноса энергии с помощью протонного шаттла

При поглощении света квантовые точки ZnSe переходят в возбуждённое состояние. Затем дырка перемещается от ZnSe к фенолу, одновременно протон смещается от фенола к пиридину. После этого электрон переходит от ZnSe к феноксильному радикалу, а протон возвращается из пиридиния на исходное место. Эти связанные этапы обеспечивают общий перенос энергии триплетного состояния от квантовых точек ZnSe к фенол-пиридиновым диадам. В результате протон возвращается на исходную позицию, однако его временное перемещение существенно влияет на процесс. Такой «шаттл» значительно увеличивает скорость и эффективность переноса энергии триплетного состояния по сравнению с аналогом без протонного шаттла. Также было установлено, что добавление к пиридину сильно электроноакцепторной трифторметильной группы может изменить последовательность этапов сопряжённого переноса протона, электрона и дырки.

Квантовомеханические особенности процесса

Скорость PS-TET практически не изменялась при изменении температуры, что указывает на то, что протон перемещается не обычным тепловым способом, а, вероятно, посредством квантовомеханического туннелирования. Расчёты, учитывающие перекрытие волновых функций колебаний протона, подтвердили это предположение. Такие интегралы позволяют определить предпочтительные пути релаксации возбуждённого состояния и направляют систему к эффективной миграции энергии триплетного состояния. Полученные результаты показывают, что квантовые эффекты можно использовать для управления переносом заряда и энергии в сложных материалах даже при комнатной температуре.

Значение открытия для технологий

Открытие механизма PS-TET имеет важное значение для современных молекулярных технологий, связанных с возбуждёнными триплетными состояниями молекул. Повышение эффективности генерации триплетных состояний может улучшить фотокатализ и экологически чистый катализ. В других технологиях, напротив, образование триплетных состояний может быть нежелательным. Органические оптоэлектронные устройства, такие как солнечные элементы и лазеры, работают эффективнее при подавлении нежелательных триплетных состояний. Исследование показывает, что можно настраивать образование триплетных состояний по необходимости: создание протонного шаттла усиливает этот процесс, а его удаление — снижает или предотвращает его.