科學(xué)家觀察到納米材料中相鄰分子之間的定向能量傳輸

當(dāng)光線照射在綠葉或視網(wǎng)膜等材料上時(shí)，一些分子會(huì)傳遞能量和電荷。導(dǎo)致電荷分離和發(fā)電。分子漏斗，即所謂的錐形交匯點(diǎn)，可以確保這種運(yùn)輸是高效和定向的。

一個(gè)國(guó)際物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在已經(jīng)觀察到，這種錐形交叉也確保了納米材料相鄰分子之間的定向能量傳輸。理論仿真驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。到目前為止，科學(xué)家只在一個(gè)分子中觀察到這種現(xiàn)象。例如，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這一結(jié)果可能有助于為有機(jī)太陽(yáng)能電池開(kāi)發(fā)更有效的納米材料。這項(xiàng)由奧爾登堡大學(xué)的安東尼奧迪西奧和德國(guó)不來(lái)梅大學(xué)的托馬斯弗勞恩海姆領(lǐng)導(dǎo)的研究已發(fā)表在本期《自然納米技術(shù)》科學(xué)雜志》上。

光化學(xué)過(guò)程在自然和技術(shù)中起著重要的作用：當(dāng)分子吸收光時(shí)，它們的電子躍遷被激發(fā)。這種轉(zhuǎn)化觸發(fā)了一個(gè)極快的分子轉(zhuǎn)化過(guò)程。比如在人眼中，視紫紅質(zhì)分子吸收光后以一定的方式旋轉(zhuǎn)，最后觸發(fā)電信號(hào)，這是視覺(jué)過(guò)程中最基本的一步。

分子間圓錐相交的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)

奧爾登堡大學(xué)超快納米光學(xué)教授、該研究的合著者克里斯托夫列瑙解釋說(shuō)，原因是視紫紅質(zhì)分子的特殊性質(zhì)。他說(shuō)：“輪換總是以類(lèi)似的方式發(fā)生。從量子力學(xué)的角度來(lái)看，分子運(yùn)動(dòng)有許多不同的可能性。”

這是因?yàn)榉肿釉谛D(zhuǎn)過(guò)程中必須通過(guò)圓錐相交漏斗。例如，2010年在視覺(jué)色素中進(jìn)行的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證明：“這種量子力學(xué)機(jī)制就像分子中的單向通道：某個(gè)方向的能量非常高?！鄙從冉忉尩?。

奧爾登堡大學(xué)超快納米光學(xué)研究組高級(jí)科學(xué)家Antonietta De Sio和不來(lái)梅大學(xué)計(jì)算材料科學(xué)教授Thomas Frauenheim領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，現(xiàn)在已經(jīng)觀察到了這種單向納米材料中的電子。這種材料是由德國(guó)烏爾姆大學(xué)的同事合成的，已經(jīng)用于高效有機(jī)太陽(yáng)能電池設(shè)備。

De Sio解釋說(shuō)：“讓我們的結(jié)果不同的是，我們首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了相鄰分子之間的圓錐相交?！钡侥壳盀橹梗澜绺鞯氐奈锢韺W(xué)家只觀察到單個(gè)分子中的量子力學(xué)現(xiàn)象，只推測(cè)相鄰分子之間可能存在圓錐相交。

理論計(jì)算支持實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

De Sio的團(tuán)隊(duì)利用超快激光光譜學(xué)找到了一條單向電子街道：科學(xué)家用持續(xù)時(shí)間只有幾飛秒的激光脈沖照射材料。飛秒是十億分之一秒的百萬(wàn)分之一。這種方法使研究人員能夠在光到達(dá)材料后立即記錄光的過(guò)程。該團(tuán)隊(duì)能夠觀察到電子和原子核是如何通過(guò)圓錐相交的。

研究人員發(fā)現(xiàn)，電子和特定核振動(dòng)之間特別強(qiáng)的耦合有助于將能量從一個(gè)分子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)分子，就像在單行道上一樣。這就發(fā)生在圓錐體的交叉點(diǎn)。De Sio說(shuō)：“在我們研究的材料中，從最初的光激發(fā)到圓錐相的交叉點(diǎn)只需要40飛秒左右?！?

為了驗(yàn)證他們的實(shí)驗(yàn)觀察，奧爾登堡和不來(lái)梅的研究人員還與美國(guó)新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和摩德納的CNR- Nano的理論物理學(xué)家合作。德西奧解釋說(shuō)：“通過(guò)他們的計(jì)算，他們清楚地表明，我們已經(jīng)正確地解釋了我們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?！?

奧爾登堡大學(xué)的研究人員仍然無(wú)法詳細(xì)估計(jì)這些量子力學(xué)單向路徑對(duì)分子納米結(jié)構(gòu)未來(lái)應(yīng)用的確切影響。然而，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，新的發(fā)現(xiàn)有助于為有機(jī)太陽(yáng)能電池或光電器件設(shè)計(jì)效率更高的新納米材料，或者用納米結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)人工眼睛。

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