Het Department of Chemistry van Princeton University publiceert deze week onderzoek dat aantoont dat een aangelegd magnetisch veld zal interageren met de elektronische structuur van zwakmagnetische, of diamagnetisch, moleculen om een ​​magnetisch veldeffect te induceren dat, naar hun weten, is nooit eerder gedocumenteerd.

Met de experimentele toepassing van magnetische velden tot 25 Tesla, moleculen met weinig intrinsiek magnetisme vertonen magnetogevoelige optische en fotofysische eigenschappen, volgens het papier, "Ringstromen moduleren opto-elektronische eigenschappen van aromatische chromoforen bij 25 Tesla, " gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ).

Gregory Scholes, de William S. Todd hoogleraar scheikunde, en Bryan Kudisch, een vijfdejaars student en hoofdauteur van de paper, zei dat de ontdekking wetenschappers in staat zou kunnen stellen om de elektronische en fotofysische eigenschappen van sommige klassen moleculen fundamenteel te veranderen door het magnetische veld als een "handvat" te gebruiken.

Experimenteren met een magnetisch veld dat bijna 1 miljoen keer sterker is dan dat van de aarde, onderzoekers van de Scholes Group waren in staat om de opto-elektronische eigenschappen van model niet-magnetische organische chromoforen te wijzigen. De wijzigingen, volgens het papier, ontstaan ​​door de inductie van ringstromen in de aromatische moleculen.

"Niemand zou verwachten dat een organisch molecuul zonder metaal en zonder intrinsiek magnetisme zo'n duidelijk magnetisch veldeffect zou hebben, " zei Kudisch. "We gebruiken enkele van de grootste magnetische velden die op aarde worden gegenereerd, dat is eerlijk. Maar op het zelfde moment, we zien iets dat nog nooit eerder is gezien. En om vervolgens met een geschikte verklaring te komen die een magnetisch veldeffect oproept dat vaak wordt gezien bij nucleaire magnetische resonantie (NMR), namelijk aromatische ringstromen, geeft veel voldoening."

Aromatische ringstromen kunnen worden opgevat als het voorstel dat elektronen gedelokaliseerd door aromaticiteit circulair zullen bewegen wanneer een magnetisch veld loodrecht op het aromatische vlak wordt aangelegd, typisch chemische verschuivingen van nabijgelegen atomen in NMR-spectroscopie aanstoten.

"Dit onderzoek toont aan dat dit een fenomeen is met zeer reële chemische implicaties, " voegde Kudisch eraan toe. "Hier, we hebben iets genomen dat gebruikelijk is in één type spectroscopie en hebben laten zien hoe het op een volledig onverwachte manier verandert tijdens het gebruik van onze spectroscopische methoden."

Voor het experiment, onderzoekers kozen een model aromatische chromofoor genaamd een ftalocyanine, die een moleculaire structuur heeft die lijkt op chlorofyl, het lichtabsorberende middel van de natuur, maar met een sterkere absorptie van zichtbaar licht en een hogere stabiliteit. De berekeningen op dit model ftalocyanineverbinding en zijn aggregaten toonden duidelijk, magnetische veld-afhankelijke veranderingen in het vermogen van ftalocyanine om licht te absorberen. Deze resultaten zijn de eerste die magnetische veldafhankelijke veranderingen in het absorptiespectrum van diamagnetische moleculen aantonen. Maar pas toen onderzoekers de klassieke analoog van de solenoïde toepasten, werd het experiment duidelijker.

Een solenoïde is een elektromagnetisch apparaat dat elektrische en magnetische energie effectief omzet met behulp van geleidende draadlussen die als een veer zijn gerangschikt. Met hun denken gebaseerd op het gedrag van elektromagneten, Kudisch zei, ze waren in staat om te rationaliseren dat de verhoogde gevoeligheid van het magnetische veld die ze in de ftalocyanineaggregaten waarnamen, kon afhangen van de relatieve rangschikking van de ftalocyanineringen in het aggregaat.

"Dit voegde niet alleen extra validatie toe aan onze computationele ondersteuning, maar het gaf ook geloof aan dit idee van gekoppelde aromatische ringstromen - de ringstromen van naburige ftalocyaninechromoforen in het aggregaat hebben een geometrie die afhankelijk is van versterking van de gevoeligheid van het magnetische veld, "zei Kudisch. "Net als de solenoïde."

Drie jaar geleden gestart, het onderzoeksproject combineerde experimenten met een hoog magnetisch veld en ultrasnelle spectroscopiemogelijkheden. Een deel ervan werd uitgevoerd met de Split-Florida Helix-magneet in de National High Magnetic Field Facility in Tallahassee, Florida, met 's werelds sterkste magneet voor NMR-spectroscopie. Deze unieke magneet kan magnetische veldsterktes tot 25 T bereiken en volhouden op een volledig resistieve manier - op zichzelf waarschijnlijk de krachtigste solenoïde ter wereld. Wanneer operationeel, de magneet gebruikt 2% van de stroom in de stad.

Scholes merkte op dat de PNAS papier markeert de tweede publicatie van zijn groep van het werk met behulp van de Florida split-helix magneet, een samenwerking die meer dan acht jaar geleden begon toen de magneet werd ontworpen. De rol van zijn groep was het voorstellen en ontwerpen van het ultrasnelle lasersysteem dat verbinding maakt met de magneet.

"Het is relatief eenvoudig om zulke hoge magnetische velden op een NMR-magneet te krijgen, maar onze experimenten vereisen dat je licht krijgt en het op het monster schijnt en dan dat licht op de een of andere manier eruit haalt. En voor dat, we hadden het lab in Tallahassee nodig. Het is een verzameling bijna-onmogelijkheden die samenkomen, ' zei Kudisch.

Kudisch zei dat het verkrijgen van ftalocyanine-aggregaten in de vorm van organische nanodeeltjes voor hun experimenten "het eenvoudigste deel was, " vanwege eerdere samenwerkingen met Princeton's Department of Chemical and Biological Engineering. Andere medewerkers op het papier zijn onder meer Milan Polytechnic, en de Nationale Universiteit van Cordoba.

Algemeen, hij zei, de "eclectische" sfeer van de onderzoeken in het Scholes Lab droeg bij aan het succes van het project.

"De context is dit lab denkt na over enkele van de meest dringende problemen in de fysische chemie waar niemand aan heeft gedacht en zoekt uit of de ideeën die we bedenken testbaar zijn, " zei Kudisch. "Als je er echt in duikt, waar we in geïnteresseerd zijn, is hoe diep we in het konijnenhol van ultrasnelle spectroscopie kunnen gaan, en wat het ons in staat kan stellen om op verschillende gebieden te leren."