Η πρώτη άμεση ματιά στο πώς το φως διεγείρει τα ηλεκτρόνια για να ξεκινήσει μια χημική αντίδραση

Για πρώτη φορά, οι επιστήμονες έχουν παρατηρήσει άμεσα πώς η φωτεινή ενέργεια μετατρέπεται στην κίνηση των ηλεκτρονίων κατά τη διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης. Η μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature, παρέχει νέες ιδέες για τα θεμελιώδη βήματα που λαμβάνουν χώρα κατά τη διάρκεια της φωτοσύνθεσης και άλλων διαδικασιών που οδηγούνται από το φως.

Η φωτοσύνθεση είναι η διαδικασία με την οποία τα φυτά και άλλοι οργανισμοί μετατρέπουν την ελαφριά ενέργεια σε χημική ενέργεια. Αυτή η διαδικασία ξεκινά με την απορρόφηση του φωτός από ένα μόριο χλωροφύλλης, το οποίο είναι μια πράσινη χρωστική ουσία που βρίσκεται στα φυτικά κύτταρα. Η ενέργεια από το φως στη συνέχεια χρησιμοποιείται για να διεγείρει ένα ηλεκτρόνιο στο μόριο χλωροφύλλης, το οποίο προκαλεί το ηλεκτρόνιο να μετακινηθεί σε υψηλότερο επίπεδο ενέργειας.

Το διεγερμένο ηλεκτρόνιο στη συνέχεια μεταφέρεται σε άλλα μόρια στο κύτταρο, όπου χρησιμοποιείται για την οδήγηση χημικών αντιδράσεων που παράγουν πλούσια σε ενέργεια μόρια όπως η γλυκόζη.

Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε μια τεχνική που ονομάζεται φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίου που έχει επιλυθεί με χρονικό διάστημα για να παρακολουθεί την κίνηση των ηλεκτρονίων κατά τη διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης. Αυτή η τεχνική τους επέτρεψε να μετρήσουν την ενέργεια και την ορμή των ηλεκτρονίων, καθώς ήταν ενθουσιασμένοι από το φως και μεταφέρθηκαν μεταξύ μορίων.

Τα αποτελέσματα της μελέτης έδειξαν ότι το διεγερμένο ηλεκτρόνιο μετακινήθηκε από το μόριο χλωροφύλλης σε ένα κοντινό μόριο σε λιγότερο από 100 femtoseconds (100 τετράγωνα του δευτερολέπτου). Αυτή η απίστευτα γρήγορη μεταφορά ενέργειας είναι απαραίτητη για τη φωτοσύνθεση και άλλες διαδικασίες που οδηγούνται από το φως.

Η μελέτη αποκάλυψε επίσης ότι η κίνηση του ηλεκτρονίου επηρεάστηκε έντονα από τη δομή των μορίων που εμπλέκονται στην αντίδραση. Αυτό το εύρημα υποδηλώνει ότι η αποτελεσματικότητα της φωτοσύνθεσης και άλλων διεργασιών που καθοδηγούνται από το φως μπορεί να βελτιωθεί με το σχεδιασμό μορίων με συγκεκριμένες δομές.

Οι νέες γνώσεις που αποκτήθηκαν από αυτή τη μελέτη θα μπορούσαν να οδηγήσουν στην ανάπτυξη πιο αποτελεσματικών ηλιακών κυττάρων και άλλων συσκευών που μετατρέπουν την φωτεινή ενέργεια σε χημική ενέργεια.

Η ερευνητική ομάδα διευθύνθηκε από επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, το Μπέρκλεϊ και το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley. Η μελέτη χρηματοδοτήθηκε από το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ και το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών.