Pergerakan elektron dan proton sering kali bekerja sama baik dalam sistem kehidupan maupun material buatan. Contoh paling terkenal adalah transfer elektron berpasangan proton (PCET), sebuah proses yang memainkan peran sentral dalam bioenergi, respirasi sel, fotosintesis, dan fiksasi nitrogen. PCET juga mempengaruhi desain banyak bahan buatan yang digunakan untuk konversi dan penyimpanan energi. Baru-baru ini, para ilmuwan telah mengidentifikasi proses terkait lainnya yang dikenal sebagai transfer energi singlet berpasangan proton (PCEnT).
Berdasarkan studi PCET dan PCEnT sebelumnya, tim yang dipimpin oleh Profesor Kaifeng Wu dari Institut Fisika Kimia Dalian dari Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok menyelidiki proses penting lainnya namun kurang dipahami: transfer energi kembar tiga yang terkait dengan pergerakan proton.
Transfer energi triplet adalah jalur utama untuk memindahkan energi dalam sistem alami dan sintetis, namun cara kerjanya berbeda dari transfer energi singlet. Memahami bagaimana pergerakan proton mempengaruhi proses ini dapat membuka jalan baru untuk mengendalikan aliran energi pada material canggih.
Dalam sebuah penelitian yang diterbitkan di Bahan alamiPara peneliti melaporkan mekanisme yang sebelumnya tidak diketahui yang disebut transfer energi triplet berbantuan antar-jemput proton (PS-TET). Proses ini diamati ketika energi bergeser dari titik kuantum (QDs) berbasis ZnSe koloidal ke akseptor diadik fenol-piridin yang menempel pada permukaannya.
Bagaimana Pesawat Ulang-alik Proton Memindahkan Energi
Ketika ZnSe QD menyerap cahaya, mereka memasuki keadaan tereksitasi. Sebuah lubang kemudian berpindah dari ZnSe ke fenol sementara proton secara bersamaan berpindah dari fenol ke piridin.
Kemudian, elektron ditransfer dari ZnSe ke radikal fenoksil. Pada saat yang sama, proton kembali dari piridinium ke lokasi semula. Bersama-sama, langkah-langkah terkait ini menghasilkan pergerakan keseluruhan energi spin triplet dari QD ZnSe menuju angka dua fenol-piridin.
Proton pada akhirnya berakhir di titik awalnya, namun pergerakan sementaranya mempunyai pengaruh yang besar. Pesawat ulang-alik secara signifikan meningkatkan kecepatan dan efisiensi transfer energi triplet dibandingkan dengan analog termetilasi yang tidak mengandung pesawat ulang-alik proton.
Tim juga menemukan bahwa menambahkan substituen trifluorometil penarik elektron yang kuat ke piridin dapat mengubah urutan terjadinya langkah-langkah transfer elektron dan lubang berpasangan proton.
Terowongan kuantum pada suhu kamar
Laju PS-TET berubah sangat sedikit terhadap suhu. Hal ini menunjukkan bahwa proton tidak bergerak dalam proses termal konvensional. Sebaliknya, ia tampaknya bergerak melalui terowongan mekanika kuantum.
Perhitungan yang melibatkan integral tumpang tindih fungsi gelombang getaran proton mendukung penafsiran ini. Integral ini membantu menentukan jalur relaksasi keadaan tereksitasi mana yang lebih disukai dan mengarahkan sistem menuju migrasi energi triplet yang efisien.
Hasilnya menunjukkan bahwa efek kuantum dapat digunakan untuk mengontrol transfer muatan dan energi pada material kompleks, bahkan pada suhu kamar.
Potensi penggunaan dalam sel surya, laser dan katalisis
“Penemuan mekanisme PS-TET memiliki implikasi besar bagi banyak teknologi molekuler modern yang melibatkan spin triplet keadaan tereksitasi molekul,” kata Profesor Wu.
Meningkatkan efisiensi pembangkitan triplet dapat meningkatkan fotoredoks dan katalisis lingkungan. Namun, dalam teknologi lain, pembentukan triplet mungkin perlu dibatasi. Perangkat optoelektronik organik seperti sel surya dan laser dapat bekerja lebih baik ketika keadaan triplet yang tidak diinginkan dihilangkan.
Studi tersebut menunjukkan bahwa para ilmuwan mungkin dapat menyesuaikan pembentukan kembar tiga sesuai kebutuhan. Membuat pesawat ulang-alik proton dapat meningkatkan proses tersebut, sementara menghilangkan pesawat ulang-alik dapat mengurangi atau mencegahnya.
