Ricercatori dell'Università della California, lungo il fiume, avere, per la prima volta, ha usato con successo dipoli elettrici per sopprimere completamente il trasferimento di elettroni in una direzione mentre accelerava nell'altra. La scoperta potrebbe aiutare lo sviluppo di celle solari migliorate e altri dispositivi di conversione dell'energia e accelerare la progettazione di nuovi e straordinari materiali energetici ed elettronici.

Non è una forzatura dire che la vita dipende dal trasferimento di elettroni strettamente regolato.

Il trasferimento di elettroni è tra i processi più fondamentali per sostenere la vita e per la conversione dell'energia. Si verifica quando un elettrone si sposta da un atomo o molecola a un altro, portando con sé la sua energia elettrica. Fotosintesi, respirazione mitocondriale e cellulare, e la fissazione dell'azoto sono tra i molti processi biologici resi possibili dal movimento ordinato degli elettroni.

Poiché il trasferimento di elettroni è sia onnipresente che importante, gli scienziati hanno investito enormi sforzi nella comprensione del processo, e hanno usato ciò che hanno imparato per creare celle solari, celle a combustibile, batterie e molti altri dispositivi che dipendono anche da un efficiente trasferimento di elettroni.

Ma il delicato balletto di elettroni negli esseri viventi coreografato attraverso eoni di evoluzione è più simile a un tuffo in un mosh pit quando applicato a tecnologie create dall'uomo.

Gli scienziati possono controllare in una certa misura il trasferimento di elettroni, ma hanno difficoltà a radunare tutte le particelle subatomiche in un'unica direzione. Quando dirigono gli elettroni in avanti, inevitabilmente, alcuni si muovono anche all'indietro, provocando una perdita di energia.

Valentino Vullev, un professore di bioingegneria al Bourns College of Engineering, guidato un team internazionale di ricercatori dell'UC Riverside, Polonia, Repubblica Ceca, e il Giappone che utilizzava i dipoli molecolari per sfruttare il trasferimento di elettroni. I dipoli molecolari si verificano quando uno degli atomi in una molecola ha una composizione che ha maggiori probabilità di attrarre elettroni, che hanno una carica elettrica negativa. I dipoli molecolari sono ovunque e hanno potenti, campi elettrici su scala nanometrica che possono guidare i processi di trasferimento di elettroni desiderati e sopprimere quelli indesiderati.

Mentre i dipoli elettrici generano enormi campi intorno a loro, la forza dei campi elettrici diminuisce rapidamente con la distanza. Perciò, è essenziale posizionare il dipolo il più vicino possibile alle molecole di trasferimento degli elettroni.

Il gruppo di Vullev ha incorporato il dipolo all'interno della molecola del donatore di elettroni, Electret 5-N-amido-antranilamide, una sostanza con una carica elettrica semipermanente e polarizzazione dipolo, simile a un magnete. I ricercatori hanno esposto l'elettrete a diversi solventi per innescare il trasferimento di elettroni. Con solventi a bassa polarità aumentavano notevolmente l'effetto dei dipoli e guidavano tutti gli elettroni in una sola direzione.

Questa è la prima volta che gli scienziati hanno dimostrato che il dipolo accelera il trasferimento di elettroni in una direzione e lo sopprime completamente nell'altra.

"Questa scoperta apre le porte per guidare in avanti i processi di trasferimento di elettroni, mentre sopprime la trasduzione elettronica all'indietro indesiderata, che è uno dei santi graal della fotofisica e della scienza energetica, " ha detto Vullev.

La chiave sta nel trovare un buon equilibrio tra l'abbassamento della polarità del solvente per migliorare l'effetto dipolo senza uccidere del tutto il trasferimento di elettroni. I componenti molecolari progettati su misura con le giuste proprietà elettroniche hanno aiutato a ottimizzare questo equilibrio.

"Mentre sembra che stiamo risolvendo un importante problema di chimica fisica e fisica, i risultati del nostro lavoro possono avere ampi impatti interdisciplinari, e si rivelano importanti per i campi pertinenti, come la biologia molecolare, fisiologia cellulare, e la scienza e l'ingegneria dell'energia, " ha detto Vullev. "Una migliore comprensione del trasferimento di elettroni a livello molecolare migliorerà la nostra comprensione dei sistemi viventi e servirà come base per tecnologie energetiche efficienti".