研究人员以前所未有的分辨率跟踪了染料色素与氧气反应的第一步

2021年07月25日 07:53 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

为什么一件T恤衫的颜色会在阳光下随着时间的推移而褪色?为什么你会被晒伤,为什么树叶会在秋天变成褐色?这些问题都有一个共同的主题,即染料色素和环境中的氧气之间的相互作用。这是每个孩子都在学校学习过的一种化学反应,即我们呼吸的空气中的氧化过程,那么还有什么可以研究的呢?

氧气是一个令人惊讶的分子,因为它具有磁性。在液体状态下,在非常低的温度下,它可以被磁铁吸住,就像铁屑一样。这一特性与氧气中的电子有关。所有的分子都是由原子核和电子组成的,而原子核和电子的行为又倾向于像罗盘上的微小的针。通常,这些针成对排列,指向相反的方向,将它们的磁力抵消了。然而,在一个由两个氧原子组成的氧分子中,两个罗盘针指向同一个方向,使氧具有磁性。

染料分子,例如那些用于给T恤衫着色的分子是没有磁性的,因为电子的罗盘针指向相反的方向。当光照在这样的分子上时,某种颜色的光将被吸收,使染料具有其特有的外观。在这个吸收光的过程中,光的能量被转移到染料分子中的一个电子,打破了两个电子的原始配对,使受激电子的罗盘针自发地改变其排列。当这一过程发生时,电子不能再返回到它的原始状态,让染料分子变得具有磁性,进入所谓的三重态。

由Jascha Repp教授领导的一个国际研究小组现在已经成功地揭示了这种三重态的能量是如何从一个单一的染料分子转移到一个单一的氧分子的。这个过程在日常生活中非常重要,许多氧化反应都是通过激发的三重态进行的。只要分子停留在这个状态,它就能保留光所赋予它的能量,从而促进化学反应。大多数化学反应如燃烧,需要一些初始能量,例如需要火花的引燃才能开始。

染料分子内的能量完全消散,就必须再次扭转电子罗盘针的排列,这是一个缓慢和不可能的过程。另外,染料分子内的光能,对应于磁能,可以简单地转移到另一个磁性分子,如氧气--这个过程很像通过旋转附近的另一个条形磁铁来翻转一个条形磁铁。这种能量的转移使染料分子“兴奋”起来 ,但它往往使氧分子本身具有高度活性,最终破坏了染料分子。这种效应在漂白的T恤衫或晒伤晒黑的体验中是众所周知的,后者其中的“染料分子”就是皮肤中的色素。

该小组现在成功地在空间中直接跟踪染料和氧分子之间的这种能量转移而不破坏染料分子。为了做到这一点,单分子被放置在一个表面上,并被冷却到接近宇宙温度的极低温度。使用一个所谓的原子力显微镜,包括一根非常细的针,其尖端只有一个单一的原子,研究人员能够通过扫描染料分子的尖端对其单个原子进行成像。通过采用巧妙的电脉冲序列应用于染料分子,它可以以一种受控的方式被驱动到磁性三联态。然后,通过测量作用在针尖上的力的微小变化,及时跟踪从这个激发的三态到附近的氧分子的能量转移。

《科学》杂志报道的这种新方法使研究人员能够探测染料分子和氧气的许多不同的几何排列方式。通过这种方式,可以首次解决原子层面上的分子排列和这种能量转移发生的速度之间的相互作用。科学家们现在的目标是最终能够制定一个基本氧化反应的基本微观框架。

除了防止T恤衫褪色之外,分子三态激发之间的这种相互作用对一系列技术发展具有核心意义,例如在有机发光二极管(OLED)和有机太阳能电池、光催化能量转换和光合作用以及光动力癌症治疗中。

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