Automontagens moleculares quirais que absorvem o processo de fissão singlete de reforço de luz, demonstra a pesquisa

Em moléculas orgânicas, um exciton é um par de um elétron (carga negativa) e sua lacuna (carga positiva) ligado a uma partícula. Eles são mantidos juntos pela atração coulombiana e podem se mover dentro de conjuntos moleculares. A fissão singlete (SF) é um processo em que um exciton é amplificado e dois excitons tripletos são gerados a partir de um exciton singleto.

Isso é causado pela absorção de uma única partícula de luz, ou fóton, em moléculas chamadas cromóforos (moléculas que absorvem comprimentos de onda específicos de luz). Controlando o orientação molecular e o arranjo de cromóforos é essential para alcançar alta eficiência de SF em materiais com forte potencial para aplicações em dispositivos ópticos.

Até agora, estudos sobre SF foram conduzidos em amostras sólidas, mas ainda não existem diretrizes abrangentes de projeto para a organização molecular necessária para SF eficiente.

O professor Nobuo Kimizuka e os seus colegas da Universidade de Kyushu demonstraram agora com sucesso que a SF pode ser promovida através da introdução da quiralidade (moléculas que não podem ser sobrepostas às suas imagens espelhadas) em cromóforos e alcançando orientação molecular quiral em estruturas moleculares automontadas.

Publicando em Ciência Avançadaa equipe mostrou excitons triplos baseados em SF em nanopartículas aquosas automontadas contendo cromóforos quirais de elétrons π, um fenômeno não observado em nanopartículas racêmicas semelhantes (uma mistura de quantidades iguais de moléculas que são imagens espelhadas umas das outras).

Kimizuka diz: “Descobrimos um novo método para melhorar o SF, alcançando a orientação molecular quiral dos cromóforos em estruturas automontadas.”

Os pesquisadores investigaram as características do SF de nanopartículas aquosas, que se automontaram a partir de pares de íons de ácido tetraceno dicarboxílico e várias aminas quirais ou não quirais. Eles identificaram o papel crítico do contra-íon (um íon com carga oposta à de outro íon na solução), especificamente a molécula de amônio.

O contra-íon influenciou a orientação molecular dos pares de íons, a regularidade estrutural, as propriedades espectroscópicas e a força do acoplamento intermolecular entre os cromóforos tetracenos. Assim, o contra-íon desempenhou um papel basic no controle do alinhamento dos cromóforos e do processo SF associado.

Através de extensa experimentação com aminas quirais, a equipe alcançou um rendimento quântico triplo de 133% e uma constante de taxa de 6,99 × 10⁹ é⁻¹. Em contraste, observaram que as nanopartículas com contraíons aquirais não exibiam SF.

O par de íons racêmicos também produziu um estado de par tripleto correlacionado intermediário por SF. No entanto, a aniquilação trigêmeo-trigêmeo foi dominante nos pares trigêmeos; portanto, nenhuma dissociação em trigêmeos livres foi observada.

“Nossa pesquisa oferece uma nova estrutura para o design molecular na pesquisa de SF e abrirá caminho para aplicações em ciências da energia, materiais quânticos, fotocatálise e ciências da vida envolvendo spins de elétrons. Além disso, nos inspira a continuar explorando SF em montagens moleculares quirais em mídia orgânica e sistemas de filme fino, que são essenciais para aplicações em células solares e fotocatalisadores”, conclui Kimizuka.