Учёные выяснили, почему световые реакции теряют энергию

Исследователи из Университета штата Флорида обнаружили причину низкой эффективности определённого класса светоуправляемых химических реакций. Оказалось, что большая часть энергии света тратится не на разрыв химических связей, а на внутреннюю перестройку молекул. Это открытие может помочь в разработке более эффективных процессов для фармацевтики и других отраслей.

Учёные изучали лиганд-металлические фотокатализаторы — молекулы, которые, теоретически, должны эффективно использовать энергию света для ускорения химических реакций. Однако на практике такие реакции протекали медленно и с низким выходом продукта. Исследование, опубликованное в Journal of the American Chemical Society, показало причину.

«Даже когда молекула поглощает свет и получает энергию, она не всегда делает то, что вы от неё хотите — то есть не разрывается пополам, чтобы катализировать фотохимическую реакцию», — пояснил соавтор работы, доцент кафедры химии и биохимии Брайан Кудиш.

Поглощённая энергия должна куда-то деться: она может вызвать реакцию, рассеяться в виде тепла или излучиться обратно (свечение). Но изучаемые молекулы почти не светились и не выделяли много тепла, а реакции шли вяло. Загадка заключалась в том, куда же девается энергия света.

Ответ был найден с помощью сверхбыстрых лазерных экспериментов. Оказалось, что электронная конфигурация внутри материала быстро перестраивается. Вместо того чтобы разорвать химическую связь, электроны перераспределяются, переводя молекулу в состояние с более низкой энергией.

«Когда вы даёте системе много энергии, она хочет от неё избавиться. У этой системы есть два пути: либо разорвать связь, либо перестроить свои электроны. И она гораздо чаще выбирает путь перестройки», — сказала соавтор исследования, аспирантка Рэйчел Вайс.

В рассмотренных примерах молекулы перестраивали свои электроны примерно в 85% случаев. Это открытие само по себе не делает реакции эффективнее, но понимание механизма — ключ к будущим прорывам.

«Сейчас мы не знаем, что определяет путь, который выбирают эти молекулы, но это означает, что мы можем сделать эти реакции в пять или десять раз быстрее», — заявил Кудиш.

Повышение скорости реакций может кардинально изменить экономику, например, фармацевтического производства, где создаются миллионы доз лекарств. Более быстрые процессы означают больше продукта за то же время.

Интересный факт: Исследования в области фотохимии и фотокатализа вдохновлены природными процессами, такими как фотосинтез, где растения с невероятной эффективностью преобразуют энергию солнечного света в химические связи. Понимание и воспроизведение подобных механизмов в лаборатории — одна из ключевых задач современной «зелёной» химии.