Onderzoekers van de Universiteit van Californië, rivieroever, hebben, Voor de eerste keer, met succes elektrische dipolen gebruikt om de elektronenoverdracht in de ene richting volledig te onderdrukken en in de andere te versnellen. De ontdekking zou de ontwikkeling van verbeterde zonnecellen en andere apparaten voor energieconversie kunnen helpen en het ontwerp van nieuwe en uitstekende energie- en elektronische materialen versnellen.

Het is niet moeilijk om te zeggen dat het leven afhangt van strikt gereguleerde elektronenoverdracht.

Elektronenoverdracht is een van de meest fundamentele processen voor het in stand houden van het leven en voor energieconversie. Het treedt op wanneer een elektron van het ene atoom of molecuul naar het andere gaat, brengt zijn elektrische energie met zich mee. Fotosynthese, mitochondriale en cellulaire ademhaling, en stikstoffixatie behoren tot de vele biologische processen die mogelijk worden gemaakt door de ordelijke beweging van elektronen.

Omdat elektronenoverdracht zowel alomtegenwoordig als belangrijk is, wetenschappers hebben enorme inspanningen geleverd om het proces te begrijpen, en gebruikten wat ze leerden om zonnecellen te maken, brandstofcellen, batterijen en vele andere apparaten die ook afhankelijk zijn van efficiënte elektronenoverdracht.

Maar het delicate elektronenballet in levende wezens, gechoreografeerd door eeuwenlange evolutie, lijkt meer op een podiumduik in een moshpit wanneer toegepast op door mensen gecreëerde technologieën.

Wetenschappers kunnen de elektronenoverdracht tot op zekere hoogte controleren, maar hebben moeite om alle subatomaire deeltjes in een enkele richting te drijven. Als ze elektronen naar voren sturen, onvermijdelijk, sommigen gaan ook achteruit, energieverlies veroorzaken.

Valentijn Vullev, een professor in bio-engineering aan het Bourns College of Engineering, leidde een internationaal team van onderzoekers van UC Riverside, Polen, Tsjechië, en Japan dat moleculaire dipolen gebruikte om elektronenoverdracht te benutten. Moleculaire dipolen treden op wanneer een van de atomen in een molecuul een samenstelling heeft die meer kans heeft om elektronen aan te trekken, die een negatieve elektrische lading hebben. Moleculaire dipolen zijn overal en hebben krachtige, elektrische velden op nanoschaal die de gewenste elektronenoverdrachtsprocessen kunnen sturen en ongewenste kunnen onderdrukken.

Terwijl elektrische dipolen enorme velden om zich heen genereren, neemt de sterkte van de elektrische velden snel af met de afstand. Daarom, het is essentieel om de dipool zo dicht mogelijk bij de elektronenoverdrachtsmoleculen te plaatsen.

De groep van Vullev nam de dipool op in het elektronendonormolecuul, 5-N-amido-antranilamide electret, een stof met een semi-permanente elektrische lading en dipoolpolarisatie, vergelijkbaar met een magneet. De onderzoekers stelden het elektreet bloot aan verschillende oplosmiddelen om elektronenoverdracht op gang te brengen. Met oplosmiddelen met een lage polariteit versterkten ze het effect van de dipolen aanzienlijk en leidden ze alle elektronen in slechts één richting.

Dit is de eerste keer dat wetenschappers hebben aangetoond dat de dipool de elektronenoverdracht in de ene richting versnelt en deze in de andere volledig onderdrukt.

"Deze ontdekking opent deuren voor het begeleiden van voorwaartse elektronenoverdrachtsprocessen, terwijl ongewenste achterwaartse elektronentransductie wordt onderdrukt, wat een van de heilige gralen is van fotofysica en energiewetenschap, ' zei Vullev.

De sleutel lag in het vinden van een fijne balans tussen het verlagen van de polariteit van het oplosmiddel om het dipooleffect te versterken zonder de elektronenoverdracht allemaal samen te doden. Op maat ontworpen moleculaire componenten met de juiste elektronische eigenschappen hielpen deze balans te optimaliseren.

"Hoewel het erop lijkt dat we een belangrijk fysisch-chemisch en natuurkundig probleem oplossen, de bevindingen van ons werk kunnen een brede interdisciplinaire impact hebben, en belangrijk blijken voor relevante velden, zoals moleculaire biologie, cel fysiologie, en energiewetenschap en techniek, " zei Vullev. "Een beter begrip van elektronenoverdracht op moleculair niveau zal ons begrip van levende systemen verbeteren en als basis dienen voor efficiënte energietechnologieën."