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，一些分子會傳遞能量和電荷。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。

一個國際物理學(xué)家團(tuán)隊現(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)家只在一個分子中觀察到這種現(xiàn)象。例如，從長遠(yuǎn)來看，這一結(jié)果可能有助于為有機(jī)太陽能電池開發(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不來梅大學(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)過程在自然和技術(shù)中起著重要的作用：當(dāng)分子吸收光時，它們的電子躍遷被激發(fā)。這種轉(zhuǎn)化觸發(fā)了一個極快的分子轉(zhuǎn)化過程。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，這是視覺過程中最基本的一步。

分子間圓錐相交的第一個實(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，原因是視紫紅質(zhì)分子的特殊性質(zhì)。他說：“輪換總是以類似的方式發(fā)生。從量子力學(xué)的角度來看，分子運(yùn)動有許多不同的可能性?！?

這是因?yàn)榉肿釉谛D(zhuǎn)過程中必須通過圓錐相交漏斗。例如，2010年在視覺色素中進(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：某個方向的能量非常高。”蓮娜解釋道。

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

De Sio解釋說：“讓我們的結(jié)果不同的是，我們首先通過實(shí)驗(yàn)證明了相鄰分子之間的圓錐相交。”到目前為止，世界各地的物理學(xué)家只觀察到單個分子中的量子力學(xué)現(xiàn)象，只推測相鄰分子之間可能存在圓錐相交。

理論計算支持實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

De Sio的團(tuán)隊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程。該團(tuán)隊能夠觀察到電子和原子核是如何通過圓錐相交的。

研究人員發(fā)現(xiàn)，電子和特定核振動之間特別強(qiáng)的耦合有助于將能量從一個分子轉(zhuǎn)移到另一個分子，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：“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，奧爾登堡和不來梅的研究人員還與美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實(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：“通過他們的計算，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)的研究人員仍然無法詳細(xì)估計這些量子力學(xué)單向路徑對分子納米結(jié)構(gòu)未來應(yīng)用的確切影響。然而，從長遠(yuǎn)來看，新的發(fā)現(xiàn)有助于為有機(jī)太陽能電池或光電器件設(shè)計效率更高的新納米材料，或者用納米結(jié)構(gòu)開發(fā)人工眼睛。

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