O movimento de elétrons e prótons geralmente funciona junto tanto em sistemas vivos quanto em materiais projetados. O exemplo mais conhecido é a transferência de elétrons acoplados a prótons (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 sintéticos usados para conversão e armazenamento de energia. Mais recentemente, os cientistas identificaram outro processo relacionado conhecido como transferência de energia única acoplada a prótons (PCENT).
Com base em pesquisas anteriores no PCET e PCEnT, uma equipe liderada pelo professor 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 uma importante via de transferência de energia em sistemas naturais e sintéticos, mas funciona de maneira diferente da transferência de energia singleta. Compreender como o movimento dos prótons afeta esse processo pode abrir novas maneiras de controlar o fluxo de energia em materiais avançados.
Em um estudo publicado pelo Dr. Materiais da naturezaOs pesquisadores relatam um mecanismo até então desconhecido chamado transferência de energia tripla assistida por transporte de prótons (PS-TET). O processo foi observado à medida que a energia era transferida de pontos quânticos coloidais (QDs) baseados em ZnSe para aceitadores diádicos de fenol-piridina ligados à sua superfície.
Como a lançadeira de prótons conduz energia?
Quando os QDs de ZnSe absorvem luz, eles entram em um estado excitado. Então um buraco se move do ZnSe para o fenol enquanto um próton se move simultaneamente do fenol para a piridina.
Em seguida, um elétron é transferido do ZnSe para o radical fenoxil. Ao mesmo tempo, o próton retorna à sua posição original vindo do piridínio. Juntas, essas etapas acopladas produzem um movimento geral da energia spin-tripleto dos QDs de ZnSe para as díades fenol-piridina.
O próton eventualmente termina onde começou, mas seu movimento temporal tem um grande efeito. O ônibus espacial aumenta a velocidade e a eficiência da transferência de energia tripla em comparação com um análogo metilado que não contém um ônibus espacial de prótons.
A equipe também descobriu que a adição de um substituinte trifluorometil fortemente retirador de elétrons à piridina poderia alterar a ordem em que ocorrem as etapas de transferência de elétrons e buracos acoplados a prótons.
Tunelamento quântico à temperatura ambiente
A taxa de PS-TET mudou pouco com a temperatura. Isto sugere que os prótons não passam por um processo convencional movido pelo calor. Em vez disso, parece viajar através de tunelamento mecânico quântico.
Cálculos envolvendo integrais de sobreposição de funções de onda vibracionais de prótons apoiam esta interpretação. Essas integrais ajudam a determinar quais vias de relaxamento no estado excitado são preferidas e conduzem o sistema em direção a uma transferência eficiente de energia tripla.
Os resultados mostram que os efeitos quânticos podem ser usados para controlar a carga e a transferência de energia em materiais complexos, mesmo à temperatura ambiente.
Usos potenciais em células solares, lasers e catálise
“A descoberta do processo PS-TET tem implicações profundas para muitas tecnologias moleculares modernas que envolvem o estado excitado spin-tripleto das moléculas”, observou o professor Wu.
Aumentar a eficiência da geração de tripletos pode melhorar a fotoredox e a catálise ambiental. Noutras tecnologias, contudo, a formação de tripletos pode ser limitada. Dispositivos optoeletrônicos orgânicos, como células solares e lasers, podem funcionar melhor quando estados trigêmeos indesejados são suprimidos.
O estudo sugere que os cientistas podem ajustar a estrutura tripla conforme necessário. Embora a criação de uma lançadeira de prótons possa melhorar o processo, a remoção da lançadeira pode retardá-lo ou impedi-lo.
