O movimento de elétrons e prótons geralmente funciona em conjunto tanto em sistemas vivos quanto em materiais projetados. O exemplo mais conhecido é a transferência próton-elétron (PCET), um processo que desempenha um papel central na bioenergética, na respiração celular, na fotossíntese e na fixação de nitrogênio. O PCET também influenciou o design de muitos materiais artificiais usados para conversão e armazenamento de energia. Mais recentemente, os cientistas identificaram outro processo relacionado conhecido como transferência de energia singlete acoplada a prótons (PCEnT).
Com base em pesquisas anteriores do PCET e PCEnT, uma equipe liderada pelo Prof. Kaifeng Wu, do Instituto de Física Química de Dalian, da Academia Chinesa de Ciências, investigou outro processo importante, mas pouco compreendido: a transferência de energia tripla associada ao movimento de prótons.
A transferência de energia tripla é a principal via para o movimento de energia em sistemas naturais e sintéticos, mas funciona de maneira diferente da transferência de energia singleta. Compreender como o movimento do próton afeta esse processo poderia abrir novas maneiras de controlar o fluxo de energia em materiais avançados.
Em um estudo publicado em Materiais da naturezapesquisadores relataram um mecanismo até então desconhecido chamado transferência de energia tripla assistida por transporte de prótons (PS-TET). O processo foi observado quando a energia foi transferida de pontos quânticos coloidais (QDs) baseados em ZnSe para aceitadores diádicos de fenol-piridina ligados às suas superfícies.
Como o ônibus de prótons move a energia
Quando os QDs de ZnSe absorvem luz, eles entram em um estado excitado. Um buraco então é transferido do ZnSe para o fenol, enquanto um próton é transferido simultaneamente do fenol para a piridina.
Um elétron é então transferido do ZnSe para o radical fenoxil. Ao mesmo tempo, o próton retorna do piridínio ao seu lugar original. Juntas, essas etapas acopladas criam um movimento geral de energia spin-tripleto dos QDs de ZnSe para as díades fenol-piridina.
O próton termina onde começou, mas seu movimento temporal tem um grande efeito. O ônibus espacial aumenta significativamente a taxa e a eficiência da transferência de energia tripla em comparação com a contraparte metilada que não contém o ônibus espacial de prótons.
A equipe também descobriu que a adição de um substituinte trifluorometil fortemente retirador de elétrons à piridina pode alterar a ordem em que ocorrem as etapas de transferência de elétrons e buracos ligados a prótons.
Tunelamento quântico à temperatura ambiente
A taxa de PS-TET variou muito pouco com a temperatura. Isto sugere que o próton não está se movendo através do processo usual movido pelo calor. Em vez disso, parece viajar através de tunelamento mecânico quântico.
Cálculos usando as integrais de sobreposição das funções de onda vibracional do próton apoiam esta interpretação. Essas integrais ajudam a determinar quais vias de relaxamento no estado excitado são preferidas e orientam o sistema em direção à migração eficiente de energia tripla.
As descobertas mostram que os efeitos quânticos podem ser usados para controlar a carga e a transferência de energia em materiais complexos, mesmo à temperatura ambiente.
Possíveis aplicações em células solares, lasers e catálise
“A descoberta do mecanismo PS-TET tem implicações profundas para muitas tecnologias moleculares modernas que envolvem estados de moléculas excitadas por spin-tripleto”, observou o professor Wu.
Aumentar a eficiência da geração de tripletos pode melhorar o ambiente foto-redox e de catálise. Contudo, em outras tecnologias, a formação de tripletos pode precisar ser limitada. Dispositivos optoeletrônicos orgânicos, como células solares e lasers, podem funcionar melhor quando estados trigêmeos indesejados são suprimidos.
O estudo mostra que os cientistas podem ajustar a formação de trigêmeos conforme necessário. Construir uma lançadeira de prótons poderia melhorar o processo, enquanto removê-la poderia reduzi-lo ou evitá-lo.
