חוקרים גילו מנגנון קוונטי שמאיץ מעבר אנרגיה

מחקר חדש שפורסם בכתב העת Nature Materials מציג מנגנון קוונטי לא מוכר עד כה, שמאפשר לשפר באופן חד את מעבר האנרגיה בין נקודות קוונטיות לבין מולקולות המחוברות אליהן. לפי החוקרים, מדובר בתהליך שבו פרוטון משנה לרגע את מיקומו בתוך המערכת, מסייע לתיאום תנועת האלקטרונים והחורים, ולאחר מכן חוזר למקומו המקורי — אך עצם ה"הלוך ושוב" הזה מזרז מאוד את מעבר האנרגיה.

העבודה הובלה בידי פרופ' קאיפנג וו מהמכון לכימיה פיזיקלית בדאליין, השייך לאקדמיה הסינית למדעים. היא מתמקדת במעבר אנרגיית טריפלט — מסלול מרכזי שבו אנרגיה נעה במערכות טבעיות ומלאכותיות, אך כזה שעד כה היה מובן פחות בכל הקשור להשפעת תנועת פרוטונים עליו.

כך פועלת "מעבורת הפרוטונים"

החוקרים בחנו מערכת שבה נקודות קוונטיות מבוססות ZnSe מעבירות אנרגיה למולקולות קולטות מסוג פנול-פירידין, המחוברות לפני השטח שלהן. כאשר הנקודות הקוונטיות בולעות אור, הן נכנסות למצב מעורר. בשלב הראשון חור נע מן הנקודה הקוונטית אל הפנול, ובמקביל פרוטון עובר מן הפנול אל הפירידין.

בשלב הבא עובר אלקטרון מן ה-ZnSe אל רדיקל פנוקסיל, ובאותו זמן הפרוטון נע בחזרה מן הפירידיניום אל מיקומו המקורי. לפי תיאור החוקרים, שני הצעדים המשולבים האלה יוצרים יחד את מעבר אנרגיית הטריפלט מן הנקודות הקוונטיות אל הצמד המולקולרי. התוצאה הבולטת היא שהפרוטון אינו נשאר במקום החדש, אבל עצם התנועה הזמנית שלו משנה מאוד את הדינמיקה של מעבר האנרגיה.

בהשוואה למערכת דומה שעברה מתילציה ולכן אינה כוללת את אותה "מעבורת" פרוטונית, נמצאה עלייה משמעותית הן במהירות והן ביעילות של מעבר האנרגיה.

כמעט בלי תלות בטמפרטורה

אחת התוצאות המסקרנות במחקר נגעה לקשר בין קצב התהליך לבין הטמפרטורה. החוקרים מצאו שקצב מעבר האנרגיה כמעט שאינו משתנה כאשר הטמפרטורה משתנה. מבחינתם, זהו סימן לכך שהפרוטון אינו נע במסלול רגיל שמונע בעיקר מחום, אלא באמצעות מנהור קוונטי — תופעה שבה חלקיק חוצה מחסום אנרגטי בדרך שאינה מוסברת על ידי פיזיקה קלאסית.

כדי לתמוך בפרשנות הזאת, הצוות ביצע חישובים של חפיפת פונקציות גל רטטיות של הפרוטון. חישובים כאלה מסייעים לקבוע אילו מסלולי רלקסציה של מצב מעורר יהיו מועדפים, ובמקרה הזה הם הצביעו על נטייה למסלול יעיל של נדידת אנרגיית טריפלט.

למה זה חשוב לחומרים מתקדמים

מעבר מצומד של פרוטונים ואלקטרונים מוכר היטב בכימיה ובביולוגיה, בעיקר במסגרת תהליכים כמו נשימה תאית, פוטוסינתזה וקיבוע חנקן. בשנים האחרונות זוהו גם מנגנונים שבהם תנועת פרוטון קשורה להעברת אנרגיית סינגלט. כעת מציעים החוקרים חוליה נוספת במשפחה הזאת: מעבר אנרגיית טריפלט בסיוע מעבורת פרוטונית.

לפי פרופ' וו, "לגילוי של מנגנון PS-TET יש השלכות עמוקות על טכנולוגיות מולקולריות מודרניות רבות שמעורבים בהן מצבי עירור מסוג טריפלט". המשמעות המעשית תלויה ביישום: במערכות מסוימות, כמו קטליזה פוטו-רדוקסית וקטליזה סביבתית, ייתכן שדווקא הגדלת היעילות של יצירת מצבי טריפלט תשפר את הביצועים. במערכות אחרות, למשל רכיבים אופטואלקטרוניים אורגניים כמו תאים סולאריים ולייזרים, לעיתים נדרש להפחית יצירה של מצבי טריפלט לא רצויים כדי לשפר את התפקוד.

החוקרים מוסיפים כי שינוי כימי קטן יחסית במבנה המולקולה — למשל הוספת קבוצה מושכת אלקטרונים חזקה מסוג טריפלואורומתיל לפירידין — מסוגל לשנות את סדר הצעדים בתהליך. המשמעות היא שלא מדובר רק בתופעה בסיסית מסקרנת, אלא גם בידית שליטה אפשרית לתכנון חומרים עם תכונות מותאמות.

המחקר פורסם במאמר מאת ז'אולונג ואנג, ג'ינגיי ג'ו ופרופ' קאיפנג וו, ומציג מסגרת חדשה להבנת האופן שבו אפקטים קוונטיים יכולים לכוון מעבר מטען ואנרגיה בחומרים מורכבים גם בטמפרטורת החדר.