O nouă descoperire în domeniul fizicii cuantice demonstrează că un efect la nivel subatomic poate amplifica masiv transferul de energie la temperatura camerei. Acest fenomen, bazat pe tunelarea cuantică, ar putea revoluționa modul în care construim celulele solare și sistemele optoelectronice.
Mișcarea electronilor și a protonilor acționează adesea în sinergie, atât în sistemele vii, cât și în materialele artificiale. Cel mai cunoscut exemplu este transferul de electroni cuplat cu protoni (PCET), un proces cu rol central în bioenergetică, respirația celulară, fotosinteză și fixarea azotului. PCET a influențat, de asemenea, proiectarea multor materiale artificiale utilizate pentru conversia și stocarea energiei. Mai recent, oamenii de știință au identificat un alt proces conex, cunoscut sub numele de transfer de energie singlet cuplat cu protoni (PCEnT).
De la transferul singlet la cel triplet
Importanța acestui studiu, publicat în revista Nature Materials, este majoră: dacă oamenii de știință învață să controleze transferul de energie tripletă dirijat de protoni, eficiența dispozitivelor de captare și stocare a energiei verzi ar putea face un salt tehnologic uriaș.
Bazându-se pe aceste studii anterioare privind PCET și PCEnT, o echipă condusă de prof. Kaifeng Wu, de la Institutul de Fizică Chimică din Dalian al Academiei Chineze de Științe, a investigat un alt proces important, dar puțin înțeles: transferul de energie triplet legat de mișcarea protonilor.
Transferul de energie tripletă reprezintă o cale majoră de transfer al energiei atât în sistemele naturale, cât și în cele sintetice, dar funcționează diferit de transferul de energie singletă. Înțelegerea modului în care mișcarea protonilor influențează acest proces ar putea deschide noi căi de control al fluxului de energie în materialele avansate.
În cadrul studiului menționat, cercetătorii au raportat un mecanism până atunci necunoscut, denumit transfer de energie triplet asistat de naveta de protoni (PS-TET). Procesul a fost observat pe măsură ce energia se deplasa de la punctele cuantice coloidale (QDs) pe bază de ZnSe către acceptori diadici fenol-piridină atașați la suprafețele acestora.
Traseul protonului, pas cu pas
Când punctele cuantice de ZnSe absorb lumina, acestea intră într-o stare excitată. Apoi, o lacună se deplasează de la ZnSe către fenol, în timp ce un proton se deplasează simultan de la fenol către piridină.
În continuare, un electron se transferă de la ZnSe către radicalul fenoxil. În același timp, protonul se întoarce de la piridiniu la locația sa inițială. Împreună, aceste etape interconectate produc transferul global al energiei tripletului de spin de la punctele cuantice de ZnSe către diadele fenol-piridină.
În final, protonul ajunge înapoi la punctul de plecare, dar mișcarea sa temporară are un efect major: acest transport crește considerabil atât viteza, cât și eficiența transferului de energie tripletă, în comparație cu un analog metilat care nu conține acest transport de protoni.
Echipa a descoperit, de asemenea, că adăugarea unui substituent trifluorometil, cu putere mare de extragere a electronilor, la piridină poate modifica ordinea în care au loc etapele de transfer al electronului și al golului cuplate cu protonul.
Tunelarea cuantică, activă la temperatura camerei
Ce este tunelarea cuantică în acest context?
Spre deosebire de fizica clasică, unde o particulă are nevoie de suficientă energie/căldură pentru a depăși un obstacol, tunelarea cuantică îi permite protonului să treacă pur și simplu prin bariera energetică, acționând ca și cum s-ar teleporta dintr-o parte în alta.
Viteza procesului PS-TET a variat foarte puțin în funcție de temperatură. Acest lucru sugerează că protonul nu se deplasează printr-un proces convențional determinat de căldură. În schimb, se pare că acesta se deplasează prin tunelare cuantică (ca să vizualizăm acest proces: imaginați-vă că energia primită de la Soare este un colet foarte prețios pe care un curier obosit – electronul – trebuie să-l livreze urcând un munte abrupt. În mod normal, curierul pierde mult timp și o parte din colet pe drum. Ce ne arată acest studiu este că am descoperit un asistent invizibil – protonul. Acest proton nu urcă muntele, ci folosește un cod de trișare: sapă instantaneu un tunel prin el. Datorită acestei navete, coletul cu energie ajunge la destinație mult mai rapid și aproape intact. Pentru oamenii de rând, traducerea este simplă: natura ne-a arătat un mecanism secret prin care putem muta energia fără efort).
Calculele care au implicat integrale de suprapunere a funcției de undă vibraționale a protonului au susținut această interpretare. Aceste integrale ajută la determinarea căilor de relaxare din starea excitată care sunt favorizate și orientează sistemul către o migrație eficientă a energiei triplete.
Rezultatele arată că efectele cuantice pot fi utilizate pentru a controla transferul de sarcină și energie în materiale complexe, chiar și la temperatura camerei.
Gândește-te la tehnologia din prezent – de la bateriile telefoanelor la panourile solare – ca la un trafic la ora de vârf: lent, ineficient și cu pierderi masive sub formă de căldură. Ce au reușit acești cercetători nu este doar să adauge o bandă nouă, ci să descopere cum energia poate ocoli complet blocajul. La nivel subatomic, ei au demonstrat că energia se poate „teleporta” instantaneu prin obstacole, chiar și la temperatura camerei. Dacă învățăm să controlăm acest fenomen, trecem într-o cu totul altă ligă tehnologică. Vorbim despre panouri solare care nu mai irosesc lumina captată, baterii capabile să se încarce la viteze pe care azi le considerăm științifico-fantastice și electronice care nu se mai supraîncălzesc niciodată. Practic, am găsit un scurtcircuit direct în legile naturii.
Aplicații potențiale în celule solare, lasere și cataliză
„Descoperirea mecanismului PS-TET are implicații profunde pentru multe tehnologii moleculare moderne care implică stările excitate de tip triplet de spin ale moleculelor”, a remarcat prof. Wu, citat de publicația Science Daily.
Creșterea eficienței generării de triplete ar putea îmbunătăți fotoredoxul și cataliza ecologică. În alte tehnologii, însă, poate fi necesară limitarea formării de triplete: dispozitivele optoelectronice organice, precum celulele solare și laserele, pot funcționa mai bine atunci când stările triplete nedorite sunt suprimate.
Studiul sugerează că oamenii de știință ar putea regla formarea de triplete în funcție de necesități. Crearea unei „navete de protoni” ar putea îmbunătăți procesul, în timp ce eliminarea acesteia ar putea să-l reducă sau să-l împiedice. Pe scurt, stăpânirea acestui efect cuantic inedit marchează trecerea de la observarea fenomenelor subatomice la controlul lor direct. Aplicațiile vizate promit să ne aducă mai aproape de materiale inteligente, capabile să gestioneze transferul de energie cu o precizie nemaiîntâlnită până acum.
Studiul a fost publicat în jurnalul științific Nature Materials.
Ce s-a mai descoperit în Știință?
Perlele arată a pietre prețioase, dar sunt produsul unor moluște iritate. Cum se formeaz perlele de fapt
Cercetătorii au monitorizat 12 oameni în Antarctica timp de 10 luni — ceea ce s-a întâmplat ar putea influența viitoarele misiuni pe Marte
Aproape jumătate din cazurile de demență ar putea fi legate de factori de risc ce pot fi controlați
Două flori toxice ar putea inspira dezvoltarea unor noi medicamente
