Странный квантовый эффект резко ускоряет передачу энергии

Схема переноса триплетной энергии с помощью протонного челнока. Credit: DICP

Движение электронов и протонов часто работает сообща как в живых системах, так и в искусственных материалах. Наиболее известным примером является протон-связанный перенос электрона (PCET) — процесс, играющий центральную роль в биоэнергетике, клеточном дыхании, фотосинтезе и фиксации азота. PCET также повлиял на разработку многих искусственных материалов, используемых для преобразования и хранения энергии. Совсем недавно ученые выявили еще один родственный процесс, известный как протон-связанный синглетный перенос энергии (PCEnT).

Основываясь на более ранних исследованиях PCET и PCEnT, команда под руководством профессора Кайфэна Ву из Даляньского института химической физики Китайской академии наук исследовала другой важный, но малоизученный процесс: перенос триплетной энергии, связанный с движением протонов.

Перенос триплетной энергии является основным путем перемещения энергии как в природных, так и в синтетических системах, но он работает иначе, чем перенос синглетной энергии. Понимание того, как движение протонов влияет на этот процесс, может открыть новые способы управления потоком энергии в современных материалах.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature Materials, ученые сообщили о ранее неизвестном механизме, названном переносом триплетной энергии с помощью протонного челнока (PS-TET). Этот процесс наблюдался при передаче энергии от коллоидных квантовых точек (КТ) на основе ZnSe к фенол-пиридиновым диадным акцепторам, присоединенным к их поверхности.

Как протонный челнок перемещает энергию

Когда квантовые точки ZnSe поглощают свет, они переходят в возбужденное состояние. Затем дырка перемещается от ZnSe к фенолу, в то время как протон одновременно переходит от фенола к пиридину.

Далее электрон переносится от ZnSe к феноксильному радикалу. В то же время протон возвращается из пиридиния в исходное положение. Вместе эти связанные этапы обеспечивают общий перенос спин-триплетной энергии от квантовых точек ZnSe к фенол-пиридиновым диадам.

В конечном итоге протон возвращается туда, откуда начал движение, но его временное перемещение оказывает огромное влияние. Челнок значительно увеличивает как скорость, так и эффективность переноса триплетной энергии по сравнению с метилированным аналогом, не содержащим протонного челнока.

Команда также обнаружила, что добавление сильно электроноакцепторной трифторметильной заместительной группы к пиридину может изменить порядок, в котором происходят протон-связанные этапы переноса электрона и дырки.

Квантовое туннелирование при комнатной температуре

Скорость PS-TET очень мало менялась с температурой. Это говорит о том, что протон движется не за счет обычного теплового процесса. Вместо этого, по-видимому, он перемещается посредством квантово-механического туннелирования.

Расчеты, включающие интегралы перекрытия колебательных волновых функций протона, подтвердили эту интерпретацию. Эти интегралы помогают определить, какие пути релаксации возбужденного состояния являются предпочтительными, и направляют систему к эффективной миграции триплетной энергии.

Результаты показывают, что квантовые эффекты можно использовать для управления переносом заряда и энергии в сложных материалах даже при комнатной температуре.

Потенциальное применение в солнечных батареях, лазерах и катализе

«Открытие механизма PS-TET имеет глубокие последствия для многих современных молекулярных технологий, связанных со спин-триплетными возбужденными состояниями молекул», — отметил профессор Ву.

Повышение эффективности генерации триплетов может улучшить фотокислительно-восстановительный и экологический катализ. Однако в других технологиях образование триплетов, возможно, потребуется ограничить. Органические оптоэлектронные устройства, такие как солнечные батареи и лазеры, могут работать лучше, когда нежелательные триплетные состояния подавлены.

Исследование предполагает, что ученые, возможно, смогут настраивать образование триплетов по мере необходимости. Создание протонного челнока может усилить этот процесс, в то время как его удаление может уменьшить или предотвратить его.

Источники:

Материалы предоставлены Даляньским институтом химической физики Китайской академии наук.

Zhaolong Wang, Jingyi Zhu, Kaifeng Wu. Proton shuttle-assisted triplet energy transfer. Nature Materials, 2026; 25 (7): 1190 DOI: 10.1038/s41563-026-02535-4