Wetenschap
Strikt niet dansen:onderzoekers ontdekken nieuwe moleculaire ontwerpregels
Sinds de ontdekking van de kwantummechanica, ruim honderd jaar geleden, is bekend dat elektronen in moleculen gekoppeld kunnen worden aan de beweging van de atomen waaruit de moleculen bestaan. Vaak aangeduid als moleculaire trillingen, werkt de beweging van atomen als kleine veertjes die periodieke beweging ondergaan.
Voor elektronen in deze systemen betekent het feit dat ze met deze trillingen aan de heup zijn verbonden, dat ze ook voortdurend in beweging zijn, dansend op de melodie van de atomen, op tijdschalen van een miljoenste van een miljardste van een seconde. Maar al dit ronddansen leidt tot energieverlies en beperkt de prestaties van organische moleculen in toepassingen zoals light-emitting diodes (OLED's), infraroodsensoren en fluorescerende biomarkers die worden gebruikt bij het bestuderen van cellen en voor het labelen van ziekten zoals kankercellen.
Nu hebben onderzoekers die op laser gebaseerde spectroscopische technieken gebruiken 'nieuwe moleculaire ontwerpregels' ontdekt die deze moleculaire dans kunnen stoppen. Hun resultaten, gerapporteerd in Nature , onthulde cruciale ontwerpprincipes die de koppeling van elektronen aan atomaire trillingen kunnen stoppen, waardoor in feite hun hectische dansen wordt stopgezet en de moleculen worden voortgestuwd om ongeëvenaarde prestaties te bereiken.
"Alle organische moleculen, zoals die gevonden worden in levende cellen of op het scherm van je telefoon, bestaan uit koolstofatomen die met elkaar verbonden zijn via een chemische binding", zegt Cavendish Ph.D. student Pratyush Ghosh, eerste auteur van de studie en lid van St John's College.
‘Die chemische bindingen zijn als kleine trillende veertjes, die over het algemeen door elektronen worden gevoeld, waardoor de prestaties van moleculen en apparaten worden aangetast. We hebben nu echter ontdekt dat bepaalde moleculen deze schadelijke effecten kunnen vermijden als we de geometrische en elektronische structuur van het molecuul beperken. tot enkele speciale configuraties."
Om deze ontwerpprincipes te demonstreren, ontwierpen de wetenschappers een reeks efficiënte nabij-infrarood emitterende (680-800 nm) moleculen. In deze moleculen waren de energieverliezen als gevolg van trillingen (in wezen elektronen die dansen op de melodie van atomen) meer dan 100 keer lager dan in eerdere organische moleculen.
Dit begrip en de ontwikkeling van nieuwe regels voor het ontwerpen van lichtgevende moleculen heeft een uiterst interessant traject voor de toekomst geopend, waar deze fundamentele observaties kunnen worden toegepast op industrieën.
"Deze moleculen hebben tegenwoordig ook een breed scala aan toepassingen. De taak is nu om onze ontdekking te vertalen naar betere technologieën, van verbeterde displays tot verbeterde moleculen voor biomedische beeldvorming en ziektedetectie", concludeerde professor Akshay Rao van Cavendish Laboratory, die leidde dit onderzoek.