Mejorar la producción de energía impulsando el proceso de fisión singlete

En las moléculas orgánicas, un excitón es un par unido a una partícula de un electrón (carga negativa) y su hueco (carga positiva). Se mantienen unidos por atracción de Coulomb y pueden moverse dentro de conjuntos moleculares. La fisión singlete (SF) es un proceso en el que se amplifica un excitón y se generan dos excitones tripletes a partir de un excitón singlete.

Esto se debe a la absorción de una sola partícula de luz, o fotón, en moléculas llamadas cromóforos (moléculas que absorben longitudes de onda específicas de luz). Controlar la orientación molecular y la disposición de los cromóforos es crucial para lograr una alta eficiencia de SF en materiales con un gran potencial para aplicaciones de dispositivos ópticos.

Hasta ahora, se han realizado estudios sobre SF en muestras sólidas, pero aún no existen pautas de diseño integrales para la organización molecular requerida para un SF eficiente.

El profesor Nobuo Kimizuka y sus colegas de la Universidad de Kyushu han demostrado con éxito que se puede promover la SF introduciendo quiralidad (moléculas que no se pueden superponer a sus imágenes especulares) en los cromóforos y lograr una orientación molecular quiral en estructuras moleculares autoensambladas. Publicación en Ciencia avanzada, el equipo mostró Excitones tripletes basados ​​en SF en nanopartículas acuosas autoensambladas que contienen cromóforos quirales de electrones π, un fenómeno que no se observa en nanopartículas racémicas similares (una mezcla de cantidades iguales de moléculas que son imágenes especulares entre sí).

Kimizuka dice: «Descubrimos un nuevo método para mejorar el SF al lograr la orientación molecular quiral de los cromóforos en estructuras autoensambladas».

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Los investigadores estudiaron las características del SF de las nanopartículas acuosas, que se autoensamblaban a partir de pares iónicos del ácido dicarboxílico tetraceno y varias aminas quirales o no quirales. Identificaron el papel crítico del contraión (un ion con carga opuesta a la de otro ion en la solución), específicamente la molécula de amonio. El contraión influyó en la orientación molecular de los pares iónicos, la regularidad estructural, las propiedades espectroscópicas y la fuerza del acoplamiento intermolecular entre los cromóforos del tetraceno. Por lo tanto, el contraión jugó un papel clave en el control de la alineación de los cromóforos y el proceso SF asociado.

A través de una extensa experimentación con aminas quirales, el equipo logró un rendimiento cuántico triplete del 133% y una constante de velocidad de 6,99 × 10⁹ s⁻¹. Por el contrario, observaron que las nanopartículas con contraiones aquirales no presentaban SF.

El par de iones racémicos también produjo un estado intermedio de par triplete correlacionado con SF. Sin embargo, la aniquilación triplete-triplete fue dominante en los pares de tripletes; por lo tanto, no se observó disociación en tripletes libres.

“Nuestra investigación ofrece un nuevo marco para el diseño molecular en la investigación de SF y allanará el camino para aplicaciones en ciencias de la energía, materiales cuánticos, fotocatálisis y ciencias de la vida que involucran espines de electrones. Además, nos inspira a seguir explorando el SF en ensamblajes moleculares quirales en medios orgánicos y sistemas de películas delgadas, que son fundamentales para aplicaciones en células solares y fotocatalizadores”, concluye esperanzado Kimizuka.

CRÉDITO DE LA IMAGEN: Universidad de Kyushu/laboratorio Kimizuka

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