Tim sa University of Cambridge otkrio je da elektron može preći iz donora na akceptor u modelnoj heterojunkciji za 18,1 ± 3,1 femtosekundi (gornja granica ~21,2 fs). Ključ je ko‑lokalizovana visokofrekventna vibracija (~1512–1529 cm⁻¹) koja usmereno lansira elektron u koherentnom, balističkom talasu. Eksperimentalne metode (ultrabrza spektroskopija) i teorijske simulacije (DFT i kvantna dinamika) podržale su mehanizam. Rad otvara novo pravilo dizajna za organske solarne ćelije, ali je zasad demonstriran na modelnom sistemu u rastvoru.
Elektron Prešao Solarni Interfejs Za 18 Femtosekundi — Molekulska Vibracija Kao "Praćka"
Dr Pratyush Ghosh at the Cavendish Laboratory, University of Cambridge. (CREDIT: Nordin Ćatić)
Mali, ali izuzetno brz pokret unutar molekula može biti dovoljan da potisne elektron preko granice između donor‑a i akceptor‑a u organskim solarnim sistemima gotovo brzinom koju priroda dozvoljava. Tim sa University of Cambridge je zabeležio takav događaj—ultrabrzi prenos naelektrisanja za samo 18,1 ± 3,1 femtosekundi (konzervativna gornja granica ~21,2 fs).
Šta su istraživači uradili
Istraživači su konstruisali modelnu heterojunkciju u rastvoru, sa polimernim donorom i ne‑fullerenskim akceptorom, namerno dizajniranu da ima gotovo zanemarljiv energetski pomak i slabu međumolekulsku interakciju. Dve geometrije sistema — TS‑P3 i TS‑P2 — koristile su iste komponente, ali su se razlikovale u rasporedu molekula na interfejsu. TS‑P3 je pokazao ultrabrzi prenos (~18 fs), dok je TS‑P2 bio znatno sporiji (~376 fs).
Artist’s illustration of the interplay of a vibrational mode in electron-transfer processes. (CREDIT: Pratyush Ghosh)
Kako se događa pren0s
Korišćenjem ultrabrze laserske spektroskopije istraživači su utvrdili da apsorpcija svetlosti izaziva specifične visokofrekventne vibracije polimera. Kada je jedna takva vibracija — ko‑lokalizovana na donor‑akceptor interfejsu — poravnana sa mestom prenosa, ona meša ekscitovana stanje i stanje prenosa naboja i praktično "ispetljava" elektron u jednom koherentnom, balističkom naletu preko granice.
„Vibracija funkcioniše kao molekularna praćka. Vibracije ne prate samo proces — one ga aktivno pokreću,“ rekao je dr Pratyush Ghosh, prvi autor rada.
Nakon što elektron stigne na akceptor, istraživači su zabeležili novu koherentnu vibraciju na akceptoru — signal koji služi kao "otisak prsta" brzog i čistog prenosa.
Chemical structure of the donor polymer (Ref-P) and the symmetric and planar non-fullerene acceptor (NFA) unit, perylene diimide (PDI), used in the study. (CREDIT: Nature Communications)
Teorija i eksperiment
DFT proračuni i kvantne dinamičke simulacije podržale su merenja: mod centriran na polimeru oko ~1529 cm⁻¹ (eksperimentalno 1512–1529 cm⁻¹) identifikovan je kao pokretački mod, dok je mod oko ~1441 cm⁻¹ delovao više kao posmatrač i nije snažno mešao egziton i stanje prenosa.
Implikacije i ograničenja
Rad menja uobičajenu pretpostavku da su za ultrabrzi prenos neophodni veliki energetski pomaci ili snažno međumolekulsko povezivanje: umesto toga, pozicioniranje prave vibracije na pravom mestu može omogućiti brzo razdvajanje naboja bez velikih energetskih gubitaka. To je novo načelo dizajna za organske solarne ćelije, fotodetektore i fotokatalizu.
Spectator versus driving vibrational modes from excited-state calculations. (CREDIT: Nature Communications)
Važno je naglasiti ograničenje: studija se odnosi na modelni sistem u rastvoru, dizajniran za razjašnjavanje prvih trenutaka razdvajanja naboja, a ne na optimizovani solarni uređaj. Prevođenje mehanizma u praktične, stabilne i efikasne solarne ćelije zahteva dalja istraživanja.
Studija je objavljena u Nature Communications i realizovana uz doprinos istraživača iz Cavendish Laboratory i Yusuf Hamied Department of Chemistry (University of Cambridge) i saradnika iz više zemalja.
Zaključak: Umesto da se molekulske vibracije potiskuju, dizajneri materijala mogu ih iskoristiti kao alat—prava vibracija na pravom mestu može delovati kao „molekularna praćka“ koja ubrzava prenos naboja.
Pomozite nam da budemo bolji.
