Figura 1:(a) L'orbita dell'elettrone pi e il ciclo di Mobius in composti organici 4n con proprietà aromatiche di Mobius. (b) Struttura della molecola a forma di anello ([28] esafirina) che mostra stabilità a causa delle sue proprietà aromatiche di Mobius (n=7) nel suo stato fondamentale. Credito:Università di Kobe
Come suggerisce il loro nome, Le molecole di Möbius hanno una struttura ad anello attorcigliato, una caratteristica speciale con molte potenziali applicazioni. Un team di ricerca giapponese ha rivelato le proprietà di un tipo di molecola aromatica Möbius che esprime magnetismo e mantiene alti livelli di energia se esposta alla luce. Queste caratteristiche potrebbero essere potenzialmente applicate nelle batterie solari organiche, luci, e materiali conduttivi.
I risultati sono stati fatti da un gruppo di ricerca guidato dal professor Yasuhiro Kobori (Kobe University), Professore Atsuhiro Osuka (Università di Kyoto), Professor Kazunobu Sato e Project Professor Takeji Takui (Osaka City University), e lo studio è stato pubblicato il 10 maggio nel Journal of Physical Chemistry Letters .
Le molecole aromatiche di Möbius hanno attirato l'attenzione perché possono essere energizzate dalla luce. Quando questo accade, nel loro stato elettronicamente eccitato mostrano "antiaromaticità, " caratterizzato da alti livelli di energia e alta instabilità. Questo stato eccitato potrebbe essere utilizzato nello sviluppo di dispositivi organici ecocompatibili, come celle solari organiche a film sottile ed elementi elettroluminescenti. Però, i dettagli dietro il carattere elettronico di questo stato e le sue proprietà antiaromatiche sono rimasti poco chiari.
In questo studio, il gruppo ha applicato un metodo di risonanza paramagnetica elettronica risolta nel tempo che utilizza microonde ed elettromagneti per rilevare le proprietà magnetiche di un intermedio reattivo. Hanno osservato lo stato di tripletto eccitato di una molecola aromatica di Möbius [28] esafirina. Illuminando questa esafirina con impulsi laser, hanno rilevato la risonanza tra la microonde e gli spin elettronici legati al magnetismo dello stato di tripletto eccitato e al campo magnetico esterno come un'istantanea con una precisione di 10 milioni di parti al secondo dopo ogni impulso laser.
Figura 2:(a) Lo spettro di risonanza paramagnetica elettronica risolta nel tempo (TREPR) per lo stato di tripletto eccitato ottenuto da [28] esafirina osservato a diversi tempi di ritardo. A ed E mostrano i segnali (polarizzazione di spin dell'elettrone) basati sull'assorbimento e il rilascio delle microonde. Sulla sinistra, gli elettroni sono eccitati dalla luce depolarizzata. B 0 e ( L ) mostrano la luce parallela al campo magnetico esterno e perpendicolare al campo magnetico esterno. (b) La distribuzione degli orbitali spaiati (π e π*) che esprimono le direzioni degli assi principali (X, si, Z) per l'interazione tra i dipoli elettrici spaiati mostrati dall'analisi spettrale TREPR. (c) Gli elettroni nello stato di trasferimento di carica di tripletta. Le configurazioni di spin di triplette parallele sono mostrate nella striscia di Mobius. Questo studio ha mostrato che il cambiamento di momento angolare tra gli orbitali elettronici localizzati e bisettori porta ad una disattivazione allo stato fondamentale non magnetico, ed è un nuovo marker per l'antiaromaticità. Credito:Università di Kobe
Hanno anche cambiato l'angolo di polarizzazione dell'impulso laser rispetto alla direzione del campo magnetico esterno. Ciò ha permesso loro di chiarire la posizione tridimensionale dello spin della tripletta, oltre a scattare 10 milioni di "istantanee" al secondo del processo di disattivazione sui sottolivelli della tripletta. La loro analisi ha rivelato che le molecole ad anello attorcigliato possiedono un carattere di "trasferimento di carica" che rilascia e localizza la carica ad angolo retto tra gli orbitali. Il trasferimento di carica blocca l'effetto stabilizzante causato dall'interazione di scambio tra gli elettroni, contribuendo così alla maggiore energia a fornire la fonte delle forti proprietà antiaromatiche della molecola.
Le distribuzioni di elettroni nell'attuale stato di tripletta sono molto diverse da quelle nelle specie di stato di singoletto eccitato che non mostrano magnetismo. Questo studio ha dimostrato che ogni distribuzione di elettroni è localizzata in una parte della struttura ad anello della molecola. Hanno anche dimostrato che la modifica del momento angolare orbitale tra gli orbitali localizzati nello stato di tripletta porta a una rapida disattivazione di un sottolivello allo stato fondamentale. Queste relazioni angolari orbitali ortogonali appaiono solo nella topologia di Möbius contorta, il che significa che il processo di disattivazione potrebbe offrire nuovi strumenti per l'indicizzazione del carattere antiaromatico e per l'analisi della geometria dello stato eccitato.
Il professor Kobori commenta, "Le speciali proprietà elettroniche di questo stato eccitato altamente attivo potrebbero essere applicate a materiali funzionali elettronici, come celle solari organiche e conduttori elettrici, e potrebbe potenzialmente contribuire alla soluzione dei problemi energetici e ambientali."
