Güneş pillerinde, fotosentezde veya insan gözünde; malzemeye, yeşil bir yaprağa veya retinaya ışık düştüğünde, bazı moleküller enerji ve yük taşır. Bu, sonunda yüklerin ayrılmasına ve elektrik üretimine yol açar. Konik kesişimler olarak adlandırılan moleküler huniler; bu taşımanın oldukça verimli ve yönlendirilmiş olmasını sağlar.
Uluslararası bir fizik ekibi, bu tür konik kesişimlerin aynı zamanda bir nanomateryalin komşu molekülleri arasında yönlendirilmiş bir enerji aktarımı sağladığını gözlemledi. Buradaki teorik simülasyonlar deneysel sonuçları doğruladı. (Şimdiye kadar bilim insanları; bu fenomeni sadece bir molekül içinde gözlemlemişlerdi.)
Uzun vadede, bu sonuçlar örneğin; organik güneş pilleri için daha verimli nanomalzemeler geliştirmeye yardımcı olabilir. Oldenburg Üniversitesi’nden Antonietta De Sio ve Almanya Bremen Üniversitesi’nden Thomas Frauenheim tarafından yürütülen çalışma, Nature Nanotechnology bilimsel dergisinin son sayısında yayınlandı.
Fotokimyasal süreçler doğada ve teknolojide önemli bir rol oynar; moleküller ışığı emdiğinde elektronları uyarılmış bir duruma geçer. Bu geçiş, son derece hızlı moleküler anahtarlama süreçlerini tetikler. Örneğin insan gözünde, rodopsin molekülü ışığı absorbe ettikten sonra belirli bir şekilde döner ve sonuçta görsel sürecin en temel adımı olan bir elektrik sinyalini tetikler.
Moleküller Arasındaki Konik Kesişimler İçin İlk Deneysel Kanıt
Oldenburg Üniversitesi Ultra Hızlı Nano Optik Profesörü Christoph Lienau, bunun nedeninin rodopsin moleküllerinin özelliğine dikkat çekiyor: “Dönme süreci her zaman benzer şekilde gerçekleşir, ancak kuantum mekanik bakış açısı moleküler hareket için birçok farklı olasılık vardır.”
Bunun nedeni, bir araştırma ekibinin 2010 yılında görsel pigmentte deneysel olarak gösterdiği gibi, dönme işlemi sırasında molekülün konik bir kesişimden geçmesi gerekmesidir.
Lienau: “Bu kuantum mekanik mekanizma, molekülde tek yönlü bir yol işlevi görür: Enerjiyi çok yüksek olasılıkla belirli bir yöne yönlendiriyor.”
Oldenburg Üniversitesi Ultrafast Nano-optik araştırma grubundaki kıdemli bilim adamı Antonietta De Sio ve Bremen Üniversitesi Hesaplamalı Malzeme Bilimi profesörü Thomas Frauenheim liderliğindeki araştırma ekibi, şimdi
Araştırmacılar; tek yönlü bir yolu gözlemledi. Materyal, Almanya Ulm Üniversitesi’nden araştırmacılar tarafından sentezlendi ve halihazırda verimli organik güneş pili cihazlarında kullanılıyor.
Araştırmacı De Sio: “Sonuçlarımızı özel kılan şey, komşu moleküller arasındaki konik kesişimleri ilk kez deneysel olarak göstermiş olmamızdır.”
Şimdiye kadar, dünya çapındaki fizikçiler; sadece tek bir molekül içindeki kuantum mekaniği fenomenini gözlemlediler ve sadece yan yana duran moleküller arasında konik kesişimler olabileceğini tahmin ettiler.
Teorik Hesaplamalar Deneysel Verileri Destekler
Araştırmacı De Sio’nun Ekibi, ultra hızlı lazer spektroskopi yöntemlerini kullanarak elektronlar için bu tek yönlü yolu keşfetti: Bilim insanları; materyali yalnızca birkaç femtosaniye süreli lazer darbeleriyle ışınlıyor. Bir femtosaniye, saniyenin milyarda birinin milyonda biridir. Yöntem, araştırmacıların; ışık malzemeye ulaştıktan hemen sonra gerçekleşen işlemlerin bir tür filmini kaydetmelerini sağlar. Ekip; elektronların ve atom çekirdeklerinin konik kesişim boyunca nasıl hareket ettiğini gözlemleyebildi.
Araştırmacılar, elektronlar ve belirli nükleer titreşimler arasındaki özellikle güçlü bir bağlantının, tek yönlü bir caddede olduğu gibi bir molekülden diğerine enerji aktarılmasına yardımcı olduğunu buldular. Konik kesişimlerde olan da tam olarak budur.
Araştırmacı De Sio: “İncelediğimiz malzemede, ilk optik uyarma ile konik kesişimden geçiş arasında sadece 40 femtosaniye sürdü. Diğer araştırma ekibinin hesaplarıyla; deneysel verilerimizi doğru yorumladığımızı açıkça gösterdiler.”
Oldenburg araştırmacıları, bu kuantum mekaniksel tek yönlü caddelerin gelecekteki moleküler nano yapıların uygulamaları üzerindeki kesin etkisini henüz ayrıntılı olarak tahmin edemiyorlar. Bununla birlikte, uzun vadede yeni bulgular, organik güneş pilleri veya optoelektronik cihazlar için geliştirilmiş verimliliklere sahip yeni nanomateryaller tasarlamaya veya nanoyapılardan yapay gözler geliştirmeye yardımcı olabilir.
