奇怪的量子效應大大增加了能量轉移

在PCET和PCEnT早期研究的基礎上，中國科學院大連化學物理研究所吳凱峰教授領導的團隊研究了另一個重要但人們知之甚少的過程：與質子運動相關的三線態能量轉移。

三重態能量轉移是天然和合成系統中移動能量的重要方式，但它與單重態能量轉移不同。了解質子的運動如何影響這個過程可以為控制先進材料的能量流開闢新途徑。

在發表於的一項研究中 自然材料研究人員報告了一種以前未知的機制，稱為質子穿梭介導的三重態能量轉移（PS-TET）。觀察到該過程將能量從基於 ZnSe 的膠體量子點 (QD) 轉移到附著在其表面的二元酚-吡啶受體。

質子太空梭如何移動能量

當 ZnSe 量子點吸收光時，它們進入激發態。電洞從 ZnS 移動到苯酚，而質子同時從苯酚移動到吡啶。

然後電子從 ZnSe 轉移到苯氧基自由基。同時，質子從吡啶返回到原來的位置。這些耦合步驟共同產生了自旋三重態能量從 ZnSe QD 到苯酚-吡啶二元組的整體移動。

質子最終會回到它開始的地方，但它的暫時運動會產生重大影響。與缺乏質子穿梭的甲基化類似物相比，此穿梭大大提高了三線態能量轉移的速率和效率。

研究團隊也發現，在吡啶中添加吸電子三氟甲基取代基可以改變質子耦合電子和電洞轉移步驟發生的順序。

室溫下的量子穿隧效應

PS-TET 速率隨溫度變化很小。這表明質子不是透過傳統的熱驅動過程移動的。相反，它似乎是透過量子力學隧道傳播的。

質子振動波函數積分疊加的計算支持了這種解釋。這些積分有助於確定首選的激發態弛豫路徑並指導系統三重態能量的有效遷移。

研究結果表明，即使在室溫下，量子效應也可用於控制複雜材料中的電荷和能量轉移。

在太陽能電池、雷射和催化領域的潛在用途

「PS-TET機制的發現對許多涉及分子自旋三重激發態的現代分子技術具有深遠的影響，」吳教授說。

提高三線態形成效率可以改善光氧化還原和環境催化。然而，在其他技術中，可能需要限制三元組的形成。當不必要的三重態被移除時，有機光電元件（例如太陽能電池和雷射）可以表現得更好。

研究表明，科學家或許能夠根據自己的需求調整三胞胎的形成。創建質子穿梭機可以增強該過程，而移除質子穿梭機可以減慢或阻止該過程。