纳米材料中相邻分子之间的能量

理论计算支持实验数据

De Sio的团队使用超快激光光谱法发现了一条单向电子街：科学家用持续时间仅为几飞秒的激光脉冲照射材料。飞秒是十亿分秒的百万分。该方法使研究人员可以记录光到达材料后立即发生的过程的一种胶片。该小组能够观察到电子和原子核如何通过圆锥形相交运动。

研究人员发现，电子与特定核振动之间的特别强的耦合有助于将能量从一个分子转移到另一个分子，就像在一条单向街道上一样。这恰好在圆锥形相交处发生。De Sio说：“在我们研究的材料中，从*初的光激发到穿过圆锥形相交点仅花费了约40飞秒。”

为了证实他们的实验观察结果，来自奥尔登堡和不来梅的研究人员还与美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室以及意大利摩德纳的CNR-纳诺的理论物理学家合作。De Sio解释说：“通过他们的计算，他们清楚地表明我们已经正确地解释了我们的实验数据。”

奥尔登堡大学的研究人员尚无法详细估算这些量子力学单向路对分子纳米结构未来应用的确切影响。但是，从长远来看，新发现可以帮助设计出具有更高效率的用于有机太阳能电池或光电子器件的新型纳米材料，或者从纳米结构发展出人造眼睛。

当光照射到诸如绿叶或视网膜等材料上时，某些分子会传输能量和电荷。*终导致电荷分离和发电。分子漏斗，即所谓的圆锥形交叉点，可确保这种运输高效且有方向性。

一个物理学家团队现已观察到，这种圆锥形相交点还确保了纳米材料相邻分子之间的定向能量传输。理论仿真证实了实验结果。到目前为止，科学家仅在一个分子内观察到这种现象。从长远来看，该结果可能有助于例如开发用于有机太阳能电池的更有效的纳米材料。这项研究由奥尔登堡大学的安东尼奥·德西奥(Antonietta De Sio)和德国不来梅大学的托马斯·弗劳恩海姆(Thomas Frauenheim)领导，已发表在本期《自然纳米技术》科学期刊上。

光化学过程在自然界和技术中起着重要作用：当分子吸收光时，其电子跃迁为激发态。这种转变触发了极其快速的分子转换过程。例如，在人眼中，视紫红质分子在吸收光后以某种方式旋转，并*终触发电信号，这是视觉过程中*基本的步骤。

分子之间圆锥形相交的个实验证据

奥尔登堡大学超快纳米光学教授，该研究的合著者克里斯托夫·利瑙(Christoph Lienau)解释说，其原因是视紫红质分子的特殊性质。他说：“旋转过程总是以类似的方式发生，从量子力学的角度来看，分子运动有许多不同的可能性。”

这是由于该分子必须在旋转过程中通过圆锥形相交漏斗这一事实，如2010年的一项研究在视觉颜料中进行的实验证明：“这种量子力学机制的作用就像是分子中的单向道：某一方向的能量非常高。” Lienau解释说。

奥尔登堡大学超快纳米光学研究小组高级科学家Antonietta De Sio和不来梅大学计算材料科学教授托马斯·弗劳恩海姆(Thomas Frauenheim)领导的研究小组现已观察到这样一条单向路纳米材料中的电子。该材料是由德国乌尔姆大学的同事合成的，现已用于高效的有机太阳能电池设备中。

De Sio解释说：“使我们的结果与众不同的是，我们首次通过实验证明了相邻分子之间的圆锥形相交。” 到目前为止，世界各地的物理学家仅观察到单个分子内的量子力学现象，并且仅推测彼此相邻的分子之间也可能存在圆锥形相交。

原创作者：南京信帆生物技术有限公司