Измерения с временным разрешением. Кредит: Nature Chemistry (2024). DOI: 10.1038/s41557-024-01620-y , https://www.nature.com/articles/s41557-024-01620-y
В природе фотосинтез питает растения и бактерии; в солнечных панелях фотоэлектрические элементы преобразуют свет в электрическую энергию. Эти процессы управляются электронным движением и подразумевают перенос заряда на молекулярном уровне. Перераспределение электронной плотности в молекулах после поглощения ими света является сверхбыстрым явлением огромной важности, включающим квантовые эффекты и молекулярную динамику.
Возможность измерять динамику переноса электронов и заряда с экстремальным временным разрешением не только обеспечивает фундаментальное понимание физических механизмов, лежащих в основе этих процессов, но и предлагает уникальные идеи о том, как проектировать химические и структурные свойства молекулы для их контроля или улучшения.
Ультракороткие ультрафиолетовые импульсы от источников гармоник высокого порядка или установок лазера на свободных электронах являются мощными инструментами для инициирования и наблюдения реакции молекул на фотоионизацию в масштабах времени от фемтосекунды (10-15 секунд) до аттосекунды (10-18 секунд). Несмотря на многочисленные достижения в этих методах, детальное понимание начальных этапов переноса электронов и зарядов после быстрой фотоионизации пока недоступно.
В исследовании, опубликованном в Nature Chemistry, исследователи из Миланского политехнического университета, Мадридского института передовых исследований в области нанонауки (IMDEA Nanociencia), Автономного университета и Мадридского университета Комплутенсе представили новые сведения о сверхбыстрой динамике молекулярных систем с использованием аттосекундных импульсов экстремального ультрафиолетового диапазона.
Эта новаторская работа предлагает свежий взгляд на сложное взаимодействие электронов и ядер в молекулах донора-акцептора, значительно расширяя наше понимание химических процессов на самом фундаментальном уровне.
Электронная плотность в молекуле пара-нитроанилина после фотовозбуждения. Автор: Фернандо Мартин
Подвергая молекулы нитроанилина воздействию аттосекундных импульсов, исследовательская группа смогла наблюдать и анализировать самые ранние стадии переноса заряда с беспрецедентной точностью. В этом исследовании используется сочетание передовых методов, включая аттосекундную экстремальную ультрафиолетовую накачку/несколько фемтосекундную инфракрасную зондовую спектроскопию и передовые многочастичные квантово-химические расчеты, чтобы зафиксировать динамику этих быстрых процессов.
Точная временная информация о различных этапах процесса переноса электронов и зарядов была тщательно рассмотрена. Основные результаты исследования показывают, что перенос электронов из аминогруппы донора электронов происходит менее чем за 10 фемтосекунд, что обусловлено синхронизированным движением ядер и электронов.
За этим следует процесс релаксации, который разворачивается в течение суб-30-фемтосекундного временного масштаба, поскольку ядерный волновой пакет распространяется в возбужденных электронных состояниях молекулярного катиона. Эти открытия предлагают ценные новые идеи о том, как электронно-ядерная связь влияет на системы донора-акцептора электронов в ответ на фотоионизацию.
Представленные здесь результаты раскрывают время, необходимое для передачи заряда от блока донора электронов к соседней химической связи, соединяющей этот блок с бензольным кольцом, и для сопутствующих требуемых структурных изменений, которые происходят. Авторы полагают, что эти экспериментальные и теоретические результаты прокладывают путь к лучшему пониманию диаграмм и концепций учебника, используемых для качественного прогнозирования миграции заряда в органических молекулах.
Это исследование не только проливает свет на тонкости молекулярной динамики, но и закладывает основу для будущих исследований в этой области в направлении достижений как в теоретическом понимании, так и в практическом применении аттосекундной науки.
Дополнительная информация: Федерико Висмарра и др. Динамика переноса электронов за несколько фемтосекунд в фотоионизированных молекулах донор–π–акцептор. Nature Chemistry (2024). DOI: 10.1038/s41557-024-01620-y , www.nature.com/articles/s41557-024-01620-y
Информация о журнале: Nature Chemistry
Предоставлено IMDEA Nanociencia
