Een onverwachte ontdekking in het scheikundelab van professor Arthur Suits kan gevolgen hebben voor de productie van efficiëntere zonnecellen en het verbeteren van fotodynamische therapieën voor de behandeling van kanker. en het kan bijdragen aan onderzoek naar quantum computing. De kern van de ontdekking is de spin van elektronen. Moleculen zijn ofwel niet-magnetisch of magnetisch, afhankelijk van of twee elektronen gepaard zijn met tegenovergestelde spins of ongepaard met dezelfde spins. Moleculen kunnen overschakelen van magnetische naar niet-magnetische vormen of vice versa in een proces dat flipping a spin wordt genoemd, maar Suits zegt dat het proces inefficiënt is en langzaam gebeurt.

"Het is algemeen bekend dat als een niet-magnetisch molecuul licht absorbeert, vaak schakelt het over naar de magnetische vorm, en die vorm zal lang leven en langzaam licht afgeven, "zegt hij. "Het is ook bekend dat bij een chemische reactie, je kunt beginnen met magnetische vormen, en wanneer ze reageren, worden ze niet-magnetisch. Maar het is een inefficiënt proces dat niet gemakkelijk gebeurt, en gebeurt over het algemeen zelden in chemische reacties."

Wat Suits en zijn team ontdekten, is dat spin-flips tussen magnetische en niet-magnetische vormen zeer efficiënt kunnen plaatsvinden in de loop van een chemische reactie, aangezien de producten na reactie scheiden als het twee "radicalen" zijn - moleculen met elk ten minste één ongepaard elektron.

Theorie versus experiment

"Om dit te laten zien, hebben we een verstrooiingsexperiment uitgevoerd waarbij twee moleculaire bundels van reactanten, de ene atomaire zuurstof en de andere alkylaminen, worden gekruist in een vacuümkamer om producten te vormen die met een laser worden gedetecteerd, " zegt Suits. "Als deze samenkomen, ze vormen een tussenmolecuul dat lang leeft voordat het uit elkaar valt. De theorie zegt dat als het in de magnetische startvorm blijft, het kan niet lang leven. Het resultaat laat zien dat het tijdens de reactie verandert in niet-magnetisch."

Om het probleem op te lossen, Suits en zijn collega's, postdoctoraal fellow Hongwei Li en promovendus Alexander Kamasah, werkte samen met een collega van Temple University, Spiridoula Matsika, een professor in de computationele theorie, die geavanceerde berekeningen uitvoerde om te kijken naar de waarschijnlijkheid van overgangen van magnetische naar niet-magnetische vormen. Ze ontdekten dat spin-flips in deze reactie veel sneller plaatsvinden dan verwacht - in slechts een halve picoseconde, of een halve biljoenste van een seconde. Het verrassende is dat dit gebeurt nadat de reactie voorbij is, terwijl de producten bij elkaar blijven hangen.

"Onderzoekers zullen nu weten dat zodra deze grote moleculen beginnen te dissociëren, een mogelijke uitkomst is dat ze kunnen veranderen van magnetische naar niet-magnetische vormen, ', zegt Suits. 'Iedereen denkt dat dit een langzaam proces is, maar we laten zien dat het niet altijd een langzaam proces is, en als gevolg daarvan kan het gebeuren tijdens een voorbijgaande chemische reactie."

Suits en zijn team zeggen dat het begrijpen van dit gedrag van fundamenteel belang is voor gebieden van chemische fysica tot chemische biologie, met toepassingen in materiaalkunde, moleculaire fotonica, fotosensibilisatoren, en fotodynamische therapie voor kanker.

Financiering voor het onderzoek werd verstrekt door het Amerikaanse ministerie van Energie, het onderzoeksbureau van het leger, en de National Science Foundation. De studie, "Intersystem Crossing in the Exit Channel" werd gepubliceerd in Natuurchemie .