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Al centro della conversione dell'energia, elettroni e protoni si muovono in una danza intricata e coordinata. I chimici di Yale e in Svezia affermano di aver imparato i passaggi per una nuova rumba fotochimica.
La scoperta, pubblicata sulla rivista Scienza , potrebbe fornire informazioni sul modo in cui il mondo naturale converte l'energia solare in combustibile, come nella fotosintesi. Tale conoscenza può aiutare nella progettazione di nuove tecnologie per l'energia solare e celle solari.
"Sebbene sia raro scoprire un nuovo tipo fondamentale di meccanismo, questo sistema molecolare è stato preparato per rivelare un comportamento così intrigante", ha affermato Sharon Hammes-Schiffer, Sterling Professor of Chemistry a Yale. "Questo lavoro è stato possibile solo attraverso una forte collaborazione tra teoria ed esperimento."
Hammes-Schiffer è l'autore corrispondente dello studio, insieme a James Mayer, professore di chimica di Charlotte Fitch Roberts a Yale, e Leif Hammarström, professore di chimica all'Università di Uppsala, in Svezia.
Il nuovo studio amplia il lavoro precedente dei ricercatori, in cui hanno scoperto che alcune molecole, quando irradiate, possono mostrare un effetto noto come regione invertita di Marcus (MIR). Nel MIR, una reazione di trasferimento di elettroni, sorprendentemente, rallenta man mano che diventa energeticamente più favorevole. L'effetto MIR è considerato centrale per l'efficienza della fotosintesi, affermano gli scienziati, perché rallenta i processi energetici che sono dispendiosi. Il lavoro precedente ha rivelato il comportamento MIR per quella che descrivono come una reazione di trasferimento di elettroni accoppiati a protoni (PCET).
Tuttavia, i ricercatori hanno anche notato che alcune delle molecole studiate non mostravano MIR. Sospettavano che potesse essere al lavoro un processo fotochimico separato, finora sconosciuto. I calcoli del gruppo di Hammes-Schiffer hanno suggerito un meccanismo concorrente in cui il trasferimento di energia elettronica e il trasferimento di protoni sono "accoppiati".
Ed è proprio ciò che il team ha scoperto nel nuovo studio.
In una serie di esperimenti fotochimici, i ricercatori hanno sciolto le molecole a temperature molto basse (77 gradi K, o -321 F) in un tipo di vetro che ha isolato il nuovo meccanismo. Dopo aver illuminato le molecole fredde con la luce, il team ha osservato la fluorescenza associata al nuovo meccanismo, che chiamano trasferimento di energia accoppiato a protoni (PCEnT).
Durante PCEnT, l'energia della fotoeccitazione in un frammento di una molecola si trasferisce a un secondo frammento situato nella molecola. Questo trasferimento di energia non comporta il trasferimento di elettroni tra i due frammenti; è accoppiato a un trasferimento di protoni che avviene all'interno del secondo frammento. Pertanto, il processo non è PCET, che comporta il trasferimento di elettroni, ma piuttosto PCEnT, che comporta il trasferimento di energia.
"I trasferimenti elettronici di energia tra molecole o parti di molecole sono noti da tempo e sono importanti in molti processi guidati dalla luce", ha affermato Mayer. "PCEnT sembra essere il primo esempio di trasferimento di energia fotochimica accoppiato al movimento di un atomo o di un nucleo."
Co-primi autori dello studio sono Zhen Tao di Yale e Belinda Pettersson Rimgard dell'Università di Uppsala. Altri autori sono la studentessa laureata Laura Cotter di Yale e l'ex borsista post-dottorato di Yale Giovanny Parada. + Esplora ulteriormente
