Obserwacja pierwszych etapów przenoszenia elektronów w cząsteczkach organicznych
Ultraszybka redystrybucja energii i ładunku elektronów w cząsteczkach w wyniku absorpcji światła - ta niezwykle naukowa nazwa zdecydowanie nie brzmi jak coś, co jest dla nas istotne w codziennym życiu. Mowa jednak o procesie, który reguluje fotosyntezę roślin i bakterii. To także mechanizm odpowiadający za działanie paneli fotowoltaicznych przetwarzających światło w energię elektryczną. Możliwość pomiaru dynamiki transferu elektronów i ładunków w tym zjawisku z bardzo wysoką rozdzielczością czasową może pomóc naukowcom zrozumieć mechanizmy rządzące tymi procesami. Może również dostarczyć cennych informacji na temat projektowania właściwości cząsteczek w celu ich kontrolowania lub ulepszania. Wciąż brakuje jednak szczegółowej wiedzy na temat pierwszych etapów transferu elektronów i ładunku po szybkiej fotojonizacji. Bardziej odpowiednim stwierdzeniem byłoby jednak, że brakowało jej do niedawna.
Nowe spojrzenie na oddziaływanie elektron-jądro
Badania realizowane dzięki wsparciu w ramach finansowanych ze środków Unii Europejskiej projektów TOMATTO i LASERLAB-EUROPE przyczyniły się do lepszego poznania tego zjawiska. Jak czytamy w opracowaniu opublikowanym na łamach czasopisma naukowego „Nature Chemistry”, zespół wykorzystał impulsy głębokiego ultrafioletu mierzone w attosekundach (10-18 sekundy), aby lepiej poznać ultraszybką dynamikę układów molekularnych. „Te nowatorskie badania stanowią świeże spojrzenie na złożone oddziaływania między elektronami i jądrami w cząsteczkach donorowo-akceptorowych, w związku z czym istotnie zwiększają nasze zrozumienie procesów chemicznych występujących na najbardziej fundamentalnym poziomie”, czytamy w komunikacie prasowym opublikowanym na stronie projektu TOMATTO. Na potrzeby swoich badań zespół wystawił cząsteczki nitroaniliny na działanie impulsów świetlnych mierzonych w attosekundach. Umożliwiło im to obserwację i analizę początkowych etapów transferu ładunku z niezrównaną precyzją. Przeprowadzone badania wykazały, że transfer elektronów z grupy aminowej będącej donorem elektronów trwał mniej niż 10 femtosekund (femtosekunda trwa 10-15 sekundy) i opierał się na zsynchronizowanym ruchu jąder i elektronów. Kolejnym etapem jest proces odprężenia, który zachodzi w czasie wynoszącym poniżej 30 femtosekund. W wyniku tego procesu pakiet fal jądrowych rozprzestrzenia się we wzbudzonych stanach elektronowych kationu molekularnego. W dalszej części artykułu czytamy: „Przedstawione rezultaty stanowią odpowiedź na kluczowe pytania podstawowe w dziedzinie chemii - ujawniają czasy wymagane do przeniesienia ładunku z jednostki donorowej elektronów do sąsiedniego wiązania chemicznego łączącego tę jednostkę z pierścieniem benzenowym oraz dla towarzyszących im wymaganych zmian strukturalnych, które zachodzą. Zdaniem autorów odkrycia doświadczalne i teoretyczne torują drogę do lepszego zrozumienia podręcznikowych diagramów i koncepcji wykorzystywanych do jakościowego przewidywania migracji ładunku w cząsteczkach organicznych”. Badania realizowane dzięki wsparciu projektów TOMATTO (The ultimate Time scale in Organic Molecular opto-electronics, the ATTOsecond) i LASERLAB-EUROPE (The Integrated Initiative of European Laser Research Infrastructures) nie tylko rozszerza wiedzę na temat dynamiki molekularnej, ale także toruje drogę do dalszego rozwoju dziedziny fizyki attosekundowej. Więcej informacji: strona projektu TOMATTO strona projektu LASERLAB-EUROPE
Słowa kluczowe
TOMATTO, LASERLAB-EUROPE, cząsteczka, elektron, ładunek, transfer, transfer ładunku