Ladingsoverdracht en -scheiding is een fundamenteel proces in de energieconversie die het leven op aarde aandrijft. Naast inzet in zonnecellen en fotokatalysatoren, dit proces wordt gevonden in fotosynthese, omdat het energieconversie mogelijk maakt door licht te oogsten en het vervolgens over te dragen en om te zetten in chemische energie.

Echter, dieper begrip van ladingsoverdracht en scheiding op moleculair niveau blijft een uitdaging, omdat dit proces zeer snel is - door lichtabsorptie geïnduceerde ladingsoverdracht en scheiding vindt plaats over enkele femtoseconden tot enkele picoseconden.

Een internationaal team van onderzoekers van de Singapore University of Technology and Design (SUTD), Chinese Academie van Wetenschappen, Pohang University of Science and Technology en Vanderbilt University, hebben deze uitdaging overwonnen door fluorescentie in hun modelsystemen te gebruiken en de verandering in fluorescentie-output-intensiteit, levensduur en golflengte, enz. - en ontdekte een nieuw ladingsoverdracht- en scheidingsproces genaamd twisted intramoleculaire ladingsshuttle (TICS). In TICS-moleculen, de ladingsdonor- en acceptorfragmenten wisselen dynamisch van rol na het absorberen van licht en het ervaren van een structurele verdraaiing, dus het vertonen van een 'charge shuttle'-fenomeen.

De unieke bidirectionele, rolwisseling TICS-proces onderscheidt het van een soortgelijk proces van unidirectionele ladingsoverdracht genaamd twisted intramoleculaire ladingsoverdracht (TICT). Hoewel TICT de ontwikkeling van veel functionele materialen en apparaten heeft vergemakkelijkt, zoals heldere en fotostabiele fluoroforen, donkere uitdovers, viscositeitssensoren en polariteitssensoren, TICS effent een nieuwe weg voor chemici om unieke en bruikbare fluorescerende sondes te construeren in een breed scala van chemische families van fluoroforen.

Bijvoorbeeld, het onderzoeksteam bouwde TICS-fluorescerende sondes die kunnen worden gebruikt om glutathion te detecteren, een antioxidant die in planten en dieren wordt aangetroffen en die essentieel is bij het verwijderen van veel giftige chemicaliën in biologische cellen. evenzo, een ander type specifiek geconstrueerde TICS-gebaseerde sonde zou fosgeen kunnen detecteren, een kleurloos en zeer giftig gas dat tijdens de Eerste Wereldoorlog als chemisch wapen werd gebruikt, die mogelijk gebruikt kunnen worden bij terroristische aanslagen.

SUTD's assistent-professor Liu Xiaogang legde uit hoe het onderzoeksteam TICS-gebaseerde glutathion-fluorescerende sondes ontwikkelde en hun inspanningen om de kleurstofchemie van vallen en opstaan ​​​​om te zetten in moleculaire engineering.

"Onderzoek op dit studiegebied is vaak gebaseerd op vallen en opstaan. Bij SUTD, waar design een belangrijk onderdeel is van onze onderzoeksstrategie, we hebben ervoor gezorgd dat we een ontwerpgerichte benadering hanteren in ons onderzoeksproces. We analyseerden eerst chemische big data en zagen een patroon tussen moleculaire structuren en fluorescerende eigenschappen. Na het begrijpen van dit TICS-proces, we hebben toen een sonde ontworpen om dit concept te bewijzen, " zei assistent-professor Liu.