The Knowledge Frontier

KemiaChapisho la awaliJaribioDakika 3 za kusoma

KUNASA MOLEKULI KATI YA VIOO HAKUBADILISHI CHOCHOTE HAPA

Seli za kawaida za jua hupoteza sehemu ya nishati ya kila fotoni kama joto. Njia moja iliyopendekezwa ya kukwepa kikomo hiki ni mgawanyiko wa singleti: katika nyenzo fulani za kikaboni, msisimko unaozalishwa na mwanga (“singleti”) hugawanyika kuwa misisimko miwili yenye nishati ndogo zaidi (“tripleti”). Ikiwa yote miwili inaweza kuvunwa, fotoni moja hutoa chaji mbili badala ya moja.

Kikwazo, kwa mujibu wa makala, ni kwamba mgawanyiko ni nyeti sana kwa muundo na mpangilio wa molekuli, jambo linalohitaji kazi kubwa ya kikemia kuliboresha.

Kuchanganya mwanga na maada

Njia ya mkato inayovutia ni kubadilisha si molekuli bali mazingira yao ya mwanga. Weka utando mwembamba kati ya vioo viwili vilivyo karibu sana, na mwanga uliofungiwa ndani unaweza kuungana kwa nguvu sana na molekuli kiasi kwamba zinaunda hali chotara za mwanga na maada, zinazoitwa polaritoni. Kinadharia, hizi zingeweza kuharakisha, kupunguza kasi au kuelekeza upya michakato kama mgawanyiko bila kugusa kemia.

Majaribio yamekuwa yakipingana. Kwa molekuli moja, TIPS-pentacene, hakuna badiliko lililopatikana. Kwa rubrene, utafiti wa mwaka 2019 uliotumia vioo vya fedha uliripoti kwamba mgawanyiko ulizuiwa. Waandishi wa makala mpya wanaonyesha tatizo: mabadiliko yaliyoripotiwa yalidumu pikosekunde, ilhali mwanga hudumu takriban sehemu ya kumi ya pikosekunde tu kati ya vioo vya fedha vinavyopoteza nishati. Na vioo vyenyewe hufanya kazi kama kichujio cha mwanga unaotumika kupima, vikizalisha kasoro (artefacts) zinazoweza kuonekana kama mabadiliko katika molekuli.

Kupima mahali vioo vilipo vipofu

Jenny Clark (Chuo Kikuu cha Sheffield) na wenzake kutoka Sheffield, Oxford, Warwick na Bath walijenga vishimo kwa vioo vya dielektriki, marundo ya tabaka za silika na dioksidi ya titani zinazoakisi kwa nguvu katika mwanga unaoonekana lakini zinaruhusu mwanga wa karibu-infraredi kupita. Kisha walifuatilia mgawanyiko katika karibu-infraredi, takriban nanomita 1,200, nje ya ukanda unaoakisiwa na vioo, ambapo kishimo hakiwezi kupotosha ishara. Kwenye utando mtupu, walikagua kwamba ishara hii ya infraredi inafuatilia mgawanyiko sawasawa kabisa na ile ya mwanga unaoonekana.

Walilinganisha:

  • kishimo cha ubora wa chini, ambapo mwanga hudumu takriban femtosekunde 25;
  • kishimo cha ubora wa juu, ambapo hudumu takriban femtosekunde 330;
  • vishimo vilivyorekebishwa kwa nishati tofauti, kuanzia milielektronivolti +20 hadi −110, vikijumuisha hali za ripoti ya awali;
  • utando mtupu na “kishimo kilicho wazi” chenye kioo cha chini pekee.

Katika vishimo vyote, mwanga na molekuli zilikuwa imara katika hali ya muungano mkali (strong coupling), zikiwa na mgawanyo wa takriban milielektronivolti 100.

Mgawanyiko uleule, kila mahali

Katika kila hali, mgawanyiko ulienda karibu bila kubadilika. Kielelezo kilekile chenye viwango vilevile kilieleza kishimo kilicho wazi na vishimo vyote viwili vyenye muungano mkali: hatua ya kwanza ya mgawanyiko ilifanyika kwa kiwango cha 130 kwa nanosekunde katika vyote vitatu. Kubadilisha marekebisho hakukuleta tofauti pia.

Timu iliona mabadiliko madogo katika spektra, lakini uigaji wa kina wa kimacho uliyazalisha upya kama athari za mwingiliano wa mawimbi (interference) ndani ya vioo, si kama fotofizikia iliyobadilika. Mbinu ya tatu, inayojitegemea, mwangwi wa paramagnetiki wa elektroni unaopimwa kwa wakati (time-resolved electron paramagnetic resonance), huchunguza mizunguko (spins) ya tripleti kupitia usumaku badala ya mwanga, na ilionyesha ishara ileile ya tripleti ikiwa na kishimo au bila kishimo.

Kipengele kimoja kinaonyesha jinsi ilivyo rahisi kupotoshwa. Mgawanyiko ulikuwa na kasi takriban 20% zaidi ndani ya vishimo kuliko kwenye utando mtupu, lakini kasi hiyohiyo ilikuwepo katika kishimo kilicho wazi, ambacho hakina kioo cha juu wala muungano mkali. Waandishi wanalihusisha hilo na mguso na tabaka la dioksidi ya titani la kioo cha chini.

Maana yake kwa kemia ya vishimo

Matokeo haya “yanaleta shaka kubwa” juu ya ripoti ya awali ya mgawanyiko uliobadilishwa na polaritoni katika rubrene, waandishi wanaandika, na yanakubaliana na utafiti wa TIPS-pentacene: hifadhi kubwa mno ya hali za molekuli zisizoungana ndiyo inayotawala mienendo. Wanapendekeza kwamba mabadiliko ya awali huenda yalitokana na kasoro za kimacho, athari za uso au michakato ya daraja la pili ambapo misisimko huangamizana, na kwamba dai lolote la baadaye la kemia inayodhibitiwa na kishimo linapaswa kuyaondoa haya kwanza. Kupima nje ya ukanda wa uakisi wa vioo, wanahoji, ni njia rahisi ya kufanya hivyo.