싱글렛 분열 과정을 촉진하여 에너지 생산 개선

유기 분자에서 엑시톤은 전자(음전하)와 정공(양전하)의 입자 결합 쌍입니다. 이들은 쿨롱 인력에 의해 함께 유지되고 분자 조립체 내에서 이동할 수 있습니다. 싱글렛 분열(SF)은 엑시톤이 증폭되고 싱글렛 엑시톤에서 두 개의 삼중항 엑시톤이 생성되는 프로세스입니다. 이는 크로모포어(특정 파장의 빛을 흡수하는 분자)라고 하는 분자에서 단일 빛 입자 또는 광자가 흡수되어 발생합니다. 크로모포어의 분자 방향 및 배열을 제어하는 ​​것은 광학 장치 응용 분야에 대한 강력한 잠재력이 있는 재료에서 높은 SF 효율을 달성하는 데 중요합니다.

지금까지 SF에 관한 연구는 고체 시료를 대상으로 수행되었지만, 효율적인 SF에 필요한 분자 조직에 대한 포괄적인 설계 지침은 아직 없습니다.

규슈 대학의 노부오 키미즈카 교수와 그의 동료들은 이제 키랄성(거울상에 중첩될 수 없는 분자)을 발색단에 도입하고 자가 조립 분자 구조에서 키랄 분자 배향을 달성함으로써 SF가 촉진될 수 있음을 성공적으로 입증했습니다.

연구팀은 Advanced Science 에 발표한 논문에서 키랄 π-전자 발색단을 함유하는 자가 조립 수용성 나노입자에서 SF 기반 삼중항 엑시톤을 보여줬는데, 이는 서로 거울상인 분자의 양이 동일한 혼합물인 유사한 라세미 나노입자에서는 관찰되지 않는 현상입니다.

키미즈카는 "우리는 자체 조립 구조에서 발색단의 키랄 분자 방향을 달성하여 SF를 향상시키는 새로운 방법을 발견했습니다."라고 말했습니다.

연구진은 테트라센 디카르복실산과 다양한 키랄 또는 비키랄 아민의 이온 쌍에서 자체 조립된 수용성 나노입자의 SF 특성을 조사했습니다.

그들은 상대 이온(용액 속의 다른 이온과 반대 전하를 띤 이온), 특히 암모늄 분자의 중요한 역할을 밝혀냈습니다.

반대이온은 이온 쌍의 분자 방향, 구조적 규칙성, 분광학적 특성, 테트라센 발색단 사이의 분자 간 결합 강도에 영향을 미칩니다.

따라서, 반대이온은 발색단의 정렬과 관련된 SF 과정을 제어하는 ​​데 중요한 역할을 합니다.

키랄 아민을 사용한 광범위한 실험을 통해 팀은 133%의 삼중항 양자 수율과 6.99 × 10 9 s -1 의 속도 상수를 달성했습니다. 반면, 그들은 비키랄 카운터 이온을 가진 나노입자는 SF를 나타내지 않는다는 것을 관찰했습니다.

라세미 이온 쌍은 또한 SF에 의해 중간 상관된 삼중항 쌍 상태를 생성했습니다. 그러나 삼중항 쌍에서는 삼중항-삼중항 소멸이 지배적이었습니다. 따라서 자유 삼중항으로의 분리는 관찰되지 않았습니다.

"저희 연구는 SF 연구에서 분자 설계를 위한 새로운 프레임워크를 제공하며 에너지 과학, 양자 물질, 광촉매, 전자 스핀을 포함하는 생명 과학 분야의 응용 분야를 위한 길을 열 것입니다. 나아가, 이는 태양 전지와 광촉매 분야의 응용 분야에 필수적인 유기 매체와 박막 시스템에서 키랄 분자 조립체에서 SF를 계속 탐구하도록 영감을 줍니다." 희망에 찬 키미즈카는 결론을 내렸습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/11/241101123644.htm