Ученые из Университета Кобе создали молекулу, которая умеет быстро перебрасывать энергию внутри своей структуры, делая процесс преобразования света эффективнее и управляемым. Это открытие может улучшить солнечные батареи, медицинские технологии и сенсоры.

Результаты опубликованы в издании Angewandte Chemie International Edition.

Низкоэнергетический свет вокруг нас в избытке, и он безопасен, но для многих задач — от солнечных панелей до лечения рака — нужен свет с высокой энергией. Чтобы не тратить ресурсы на вредное излучение, ученые пытаются «склеивать» два низкоэнергетических фотона в один высокоэнергетический — этот процесс называют апконверсией.

Проблема в том, что для этого две молекулы, поглотившие свет, должны столкнуться в строго определенной ориентации, и пока никто не придумал, как контролировать этот процесс идеально.

Ясухиро Кобори, специалист по фотохимии, изучал обратный процесс — когда возбужденная молекула отдает часть энергии другой.

Мы научились отслеживать, как поглощенная энергия меняет молекулу и как перемещается внутри нее. Думаю, это поможет улучшить апконверсию, — говорит он.

Обычно энергию между молекулами передают двумя способами: либо уменьшают вязкость среды, чтобы молекулы сталкивались чаще, либо увеличивают зону реакции. Но слишком жидкая среда — это предел, а большая зона часто снижает эффективность передачи.

Кобори с командой сделали молекулу, где энергия сливается на 20% быстрее, чем в предыдущих версиях. В центре — атом бора, а вокруг, как антенны, расположены три молекулы антрацена. Возбужденное состояние (триплетный экситон) быстро перескакивает между ними, «ощупывая» пространство, но не теряя энергию.

Этот прыжок настолько быстрый, что происходит раньше, чем молекулы успевают столкнуться, — и это повышает шансы на правильную ориентацию для слияния энергии (триплет-триплетной аннигиляции).

Триплетный экситон — это пара «электрон + дырка» (как в полупроводнике), которая образуется в молекуле после поглощения света. Особенность в том, что их спины параллельны, и такая система живет дольше обычного, успевая передать энергию.

Исследуя механизм, ученые нашли еще один эффект: свечение можно контролировать, меняя вязкость среды.

Чем гуще среда, тем реже молекулы сталкиваются и тем хуже энергия прыгает внутри молекулы.

Возможно, это поможет изучать микроскопические среды — например, внутри клеток, — предполагает Кобори.

Главное здесь — не просто новая молекула, а стратегия дизайна.

Если учитывать внутримолекулярные процессы, можно создать более эффективные апконвертеры.

Наша разработка может помочь в решении энергетических проблем, а также в медицине — например, в терапии рака, где важно использовать безопасный свет с последующим преобразованием прямо в тканях, — говорит ученый.

Исследование решает две ключевые проблемы:

• Энергетика — более эффективное преобразование света повысит КПД солнечных панелей, особенно в пасмурных регионах.
• Медицина — низкоэнергетический свет безопасен для тканей. Если научиться преобразовывать его прямо в опухоли, можно точечно уничтожать раковые клетки без вреда для здоровых.
• Сенсоры — контроль вязкости на микроуровне пригодится в биологических исследованиях и фармацевтике.

Отметим, что молекула тестировалась в лабораторных условиях, где вязкость и температура строго контролируются. В реальных системах — например, в живых тканях или под открытым небом — могут возникнуть непредсказуемые помехи: хаотичное движение молекул, колебания температуры, примеси. Пока неясно, как материал поведет себя в таких условиях.

Ранее казанские ученые открыли новое правило термодинамики.