Fotosensitizers zijn moleculen die zonlicht absorberen en die energie doorgeven om elektriciteit op te wekken of chemische reacties aan te drijven. Ze zijn over het algemeen gebaseerd op zeldzame, dure metalen; dus de ontdekking dat ijzeren carbenen, met gewoon oud ijzer als kern, kan dit doen, te, heeft de afgelopen jaren geleid tot een golf van onderzoek. Maar terwijl er steeds efficiëntere ijzercarbenen worden ontdekt, wetenschappers moeten precies begrijpen hoe deze moleculen op atomair niveau werken om ze te ontwikkelen voor topprestaties.

Nu hebben onderzoekers een röntgenlaser gebruikt bij het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy om te kijken wat er gebeurt als licht een ijzeren carbeen raakt. Ze ontdekten dat het op twee concurrerende manieren kan reageren, slechts één daarvan laat elektronen in de apparaten of reacties stromen waar ze nodig zijn. In dit geval, het molecuul nam ongeveer 60% van de tijd het energieproducerende pad. Het team publiceerde hun resultaten op 31 januari in Natuurcommunicatie .

In een zonnecel, een ijzercarbeen hecht zich aan de halfgeleiderfilm op het oppervlak van de cel met zijn ijzeratoom omhoog. Zonlicht valt op het ijzeratoom en maakt elektronen vrij, die in de carbeenhulpstukken stromen. Als ze lang genoeg op die hulpstukken blijven zitten - 10 biljoenste van een seconde of meer - kunnen ze de zonnecel binnengaan en de efficiëntie ervan verhogen. In de chemie, de energieboost die fotosensitizers bieden, helpt bij het stimuleren van chemische reacties, maar vereist nog langere verblijftijden voor de elektronen op de carbeenaanhechtingen.

Om vast te leggen hoe dit werkt, een internationaal team onder leiding van onderzoekers van het Stanford PULSE Institute bij SLAC onderzocht monsters van ijzercarbeen met röntgenlaserpulsen van de Linac Coherent Light Source (LCLS) van het laboratorium. Ze maten tegelijkertijd twee afzonderlijke signalen die onthullen hoe de atoomkernen van het molecuul bewegen en hoe de elektronen in en uit de ijzer-carbeenbindingen reizen.

De resultaten toonden aan dat elektronen lang genoeg in de carbeenaanhechtingen werden opgeslagen om ongeveer 60% van de tijd nuttig werk te doen; de rest van de tijd keerden ze te snel terug naar het ijzeratoom, niets bereiken.

Kelly Gaffney van PULSE zei dat het langetermijndoel van dit onderzoek is om bijna 100 procent van de elektronen te krijgen om veel langer op carbenen te blijven, dus de energie van licht kan worden gebruikt om chemische reacties aan te sturen. Om dat te doen, wetenschappers moeten ontwerpprincipes vinden voor het afstemmen van ijzer-carbeenmoleculen om bepaalde taken met maximale efficiëntie uit te voeren.