Hoe werken moleculaire katalysatoren – moleculen die, zoals enzymen, kan bepaalde chemische reacties veroorzaken of versnellen - functie, en welke effecten hebben ze? Een team van chemici van de Universiteit van Oldenburg is dichter bij de antwoorden gekomen met behulp van een modelmolecuul dat functioneert als een moleculaire nanobatterij. Het bestaat uit verschillende titaniumcentra die met elkaar zijn verbonden door een enkele laag onderling verbonden koolstof- en stikstofatomen. Het zevenkoppige onderzoeksteam publiceerde onlangs zijn bevindingen, die de resultaten van drie meerjarige Ph.D. onderzoeksproject, in ChemPhysChem . Het tijdschrift voor fysische chemie en chemische fysica stond op de omslag van het fundamentele onderzoek uit Oldenburg.

Om beter te begrijpen hoe het molecuul werkt, de onderzoekers, onder leiding van eerste auteurs Dr. Aleksandra Markovic en Luca Gerhards en corresponderend auteur Prof. Dr. Gunther Wittstock, voerden elektrochemische en spectroscopische experimenten uit en gebruikten het high-performance computing-cluster van de universiteit voor hun berekeningen. Wittstock ziet de publicatie van het artikel als een "succesverhaal" voor beide Research Training Groups waarbinnen de Ph.D. projecten werden uitgevoerd en voor het rekencluster van de universiteit. "Zonder de krachtige computerinfrastructuur, we zouden niet in staat zijn geweest om de uitgebreide berekeningen uit te voeren die nodig zijn om het gedrag van het molecuul te ontcijferen, ", zegt Wittstock. "Dit onderstreept het belang van dergelijke rekenclusters voor huidig ​​onderzoek."

In de krant, de auteurs presenteren de resultaten van hun analyse van een moleculaire structuur, het prototype waarvoor het resultaat was van een onverwachte chemische reactie die voor het eerst werd gerapporteerd door de scheikundeafdeling van de Universiteit van Oldenburg in 2006. Het is een zeer complexe moleculaire structuur waarin drie titaniumcentra (in de middelbare schoollessen gewoonlijk titaniumionen genoemd) zijn verbonden met elkaar verbonden door een overbruggingsligand bestaande uit koolstof en stikstof. Zo'n verbinding zou naar verwachting in staat zijn om meerdere elektronen op te nemen en af ​​te geven door onder andere de uitwisseling van elektronen tussen de metaalcentra.

Het verkrijgen van een goed begrip van deze processen is van bijzonder belang, niet alleen voor fundamenteel onderzoek, maar ook voor het op gang brengen of versnellen van belangrijke reacties waarbij meer dan één elektron wordt overgedragen. Dergelijke reacties blijven een grote uitdaging in technische systemen, waarvoor nog geen bevredigende oplossing bestaat. "Veel inspanningen zijn momenteel gericht op deze doelstelling, ", zegt Wittstock. Een voorbeeld is brandstofceltechnologie, die de gelijktijdige overdracht van vier elektronen naar één zuurstofmolecuul vereist om een ​​stroom van elektronen van waterstof naar zuurstof te bereiken, hij legt uit. "Dergelijke multi-elektronreacties hebben ook een groot potentieel om materialen of energie te besparen bij de chemische productie."

De moleculaire modelverbinding, bestaande uit het overbruggende ligand en de titaniumcentra, is speciaal ontworpen om de wetenschappers te helpen een gedetailleerd begrip te krijgen van hoe verbindingen met verschillende metaalcentra elektronen kunnen accepteren en vrijgeven. De wetenschappers prikkelden het molecuul door licht, waarop de moleculen verschillend reageerden, afhankelijk van het aantal geaccepteerde en vrijgegeven elektronen. Helaas, het in 2006 gemaakte molecuul bleek slecht oplosbaar in de meeste oplosmiddelen en daardoor moeilijk te bestuderen. Met behulp van chemische synthese, Dr. Pia Sander, een co-auteur van het artikel, propellerachtige moleculaire motieven aan de verbinding toegevoegd om de oplosbaarheid te verbeteren. Dit vormde de basis voor de experimenten van Markovic, waaruit bleek dat de modelverbinding in totaal drie elektronen kon accepteren of zes elektronen kon afgeven - een ongewoon hoge capaciteit voor een enkel molecuul. Bij elk van deze reacties niet alleen de zichtbare kleur van het molecuul verandert, maar de absorptie van licht in de spectrale bereiken die onzichtbaar zijn voor het menselijk oog. aanvankelijk, echter, de precieze veranderingen in het molecuul met verschillende aantallen elektronen konden op basis van die spectrale bereiken niet worden bepaald.

Hier kwamen Luca Gerhards en het computercluster van de universiteit om de hoek kijken. Hoewel veelvoorkomende verklaringen gebaseerd zijn op de premisse dat bij elke door licht opgewekte overgang alleen de energie van een enkel elektron verandert, co-auteur Gerhards vermeed deze vereenvoudigende aannames in zijn kwantumchemische vergelijkingen. Dit maakte de berekeningen nog complexer en hield het high-performance rekencluster maandenlang bezig. Uiteindelijk, het resultaat kwam als een verrassing voor alle betrokkenen:verschillende elektronen veranderen tegelijkertijd hun energieniveau wanneer licht het bestudeerde molecuul raakt. Bovendien, deze lading wordt niet opgeslagen in het titanium, zoals zou worden verwacht, maar voornamelijk in het overbruggende ligand, de 'link' tussen de titanium centra.

Zoals Wittstock uitlegt, de metalen centra zorgen dus voor een positief geladen "frame" voor elektronenopslag, als in een "nanobatterij". Het modelmolecuul - en bij uitbreiding een hele klasse van vergelijkbare verbindingen - is een "minisegment van een energieopslagmateriaal" gebleken. Hoewel hun volledige potentieel in dit stadium niet kan worden bepaald, Wittstock is van mening dat dergelijke "frames" met moleculaire ladingsopslagmotieven een nieuw ontwerpelement kunnen worden in complexe moleculaire katalysatoren voor multi-elektronreacties.