Un extraño efecto cuántico mejora drásticamente la transferencia de energía

El movimiento de electrones y protones se presenta a menudo de manera conjunta tanto en sistemas biológicos como en materiales diseñados. Un ejemplo familiar es el transferencia de electrones acoplada a protones (PCET), un proceso fundamental en bioenergética, respiración celular, fotosíntesis y fijación de nitrógeno. Este mecanismo también ha influido en el diseño de materiales artificiales usados para conversión y almacenamiento de energía. Recientemente, los científicos identificaron un proceso relacionado conocido como transferencia de energía singulete acoplada a protones (PCEnT).

Basándose en estudios previos de PCET y PCEnT, un equipo liderado por el profesor Kaifeng Wu del Instituto de Física Química de Dalian de la Academia de Ciencias de China investigó un proceso importante pero poco comprendido: la transferencia de energía triplete vinculada al movimiento de protones.

La transferencia de energía triplete es una vía principal para mover energía en sistemas naturales y sintéticos, aunque funciona de manera diferente a la transferencia de energía singulete. Comprender cómo el movimiento de protones influye en este proceso podría abrir nuevas formas de controlar el flujo de energía en materiales avanzados.

En un estudio publicado en Nature Materials, los investigadores reportaron un mecanismo previamente desconocido llamado transferencia de energía triplete asistida por un shuttle de protones (PS-TET). Este proceso fue observado mientras la energía se trasladaba de puntos cuánticos coloidales basados en ZnSe a aceptores dyádicos de fenol-piridina unidos a sus superficies.

Cómo el Shuttle de Proton mueve la Energía

Cuando los puntos cuánticos de ZnSe absorben luz, entran en un estado excitado. Luego, un hueco se desplaza de ZnSe a fenol mientras un protón se mueve simultáneamente de fenol a piridina.

A continuación, un electrón se transfiere de ZnSe al radical fenoxilo. Al mismo tiempo, el protón regresa de piridinio a su ubicación original. Estos pasos vinculados producen el movimiento general de energía spin-triplete desde los puntos cuánticos de ZnSe hacia los dyads de fenol-piridina.

El protón finalmente regresa a su punto de partida, pero su movimiento temporal tiene un efecto importante. Este shuttle aumenta drásticamente tanto la velocidad como la eficiencia de la transferencia de energía triplete en comparación con un análogo metilado que no contiene el shuttle de protones.

El equipo también descubrió que agregar un sustituyente trifluorometilo, que retira electrones, a la piridina puede alterar el orden en el que ocurren los pasos de transferencia de electrones y huecos acoplados a protones.

Túneles Cuánticos a Temperatura Ambiente

La tasa de PS-TET cambió muy poco con la temperatura, lo que sugiere que el protón no se desplaza a través de un proceso convencional impulsado por el calor. En cambio, parece viajar a través de túneles cuánticos.

Los cálculos que involucraron integrales de superposición de funciones de onda vibracionales de protones respaldaron esta interpretación. Estas integrales ayudan a determinar qué caminos de relajación en estado excitado son favorecidos y guían al sistema hacia una migración eficiente de energía triplete.

Los hallazgos demuestran que los efectos cuánticos pueden ser utilizados para controlar la transferencia de carga y energía en materiales complejos, incluso a temperatura ambiente.

Usos Potenciales en Celdas Solares, Láseres y Catálisis

El descubrimiento del mecanismo PS-TET tiene profundas implicaciones para muchas tecnologías moleculares modernas que involucran los estados excitados spin-triplete de las moléculas, destacó el profesor Wu.

Aumentar la eficiencia de generación de tripletes podría mejorar la fotoredox y la catálisis ambiental. Sin embargo, en otras tecnologías, la formación de tripletes puede necesitar ser limitada. Dispositivos optoelectrónicos orgánicos como celdas solares y láseres pueden funcionar mejor cuando se suprimen los estados tripletes no deseados.

El estudio sugiere que los científicos podrían ser capaces de ajustar la formación de tripletes según sea necesario. Crear un shuttle de protones podría potenciar el proceso, mientras que eliminar el shuttle podría reducir o prevenir la formación de tripletes.