Untersuchungen zeigen, dass chirale molekulare Selbstorganisationen, die Licht absorbieren, den Singulett-Spaltungsprozess beschleunigen

In organischen Molekülen ist ein Exziton ein teilchengebundenes Paar, bestehend aus einem Elektron (negative Ladung) und seinem Loch (positive Ladung). Sie werden durch Coulomb-Anziehung zusammengehalten und können sich innerhalb molekularer Anordnungen bewegen. Singulett-Spaltung (SF) ist ein Prozess, bei dem ein Exziton verstärkt wird und aus einem Singulett-Exziton zwei Triplett-Exzitonen erzeugt werden.

Dies ist auf die Absorption eines einzelnen Lichtteilchens oder Photons in Molekülen zurückzuführen, die als Chromophore bezeichnet werden (Moleküle, die bestimmte Lichtwellenlängen absorbieren). Die Kontrolle der molekularen Orientierung und Anordnung von Chromophoren ist entscheidend, um eine hohe SF-Effizienz in Materialien mit hohem Potenzial für Anwendungen in optischen Geräten zu erreichen.

Bisher wurden SF-Studien an festen Proben durchgeführt, es gibt jedoch noch keine umfassenden Designrichtlinien für die molekulare Organisation, die für eine wirksame SF erforderlich ist.

Professor Nobuo Kimizuka und Kollegen von der Kyushu-Universität haben erfolgreich gezeigt, dass SF gefördert werden kann, indem man Chiralität (Moleküle, die nicht mit ihren Spiegelbildern überlagert werden können) in Chromophore einführt und eine chirale Molekülorientierung in selbstorganisierten Molekülstrukturen erreicht.

Veröffentlicht in Fortgeschrittene WissenschaftDas Team zeigte SF-basierte Dreifach-Exzitonen in selbstorganisierten wässrigen Nanopartikeln, die chirale π-Elektronen-Chromophore enthielten, ein Phänomen, das bei ähnlichen racemischen Nanopartikeln (einer Mischung aus gleichen Mengen von Molekülen, die Spiegelbilder voneinander sind) nicht beobachtet wurde.

Kimizuka sagt: „Wir haben eine neue Methode zur Verbesserung der SF entdeckt, indem wir eine chirale molekulare Ausrichtung von Chromophoren in selbstorganisierten Strukturen erreichen.“

Die Forscher untersuchten die SF-Eigenschaften wässriger Nanopartikel, die sich aus Ionenpaaren von Tetracendicarbonsäure und verschiedenen chiralen oder nichtchiralen Aminen selbstorganisieren. Sie identifizierten die entscheidende Rolle des Gegenions (ein Ion mit einer Ladung, die der eines anderen Ions in der Lösung entgegengesetzt ist), insbesondere des Ammoniummoleküls.

Das Gegenion beeinflusste die molekulare Ausrichtung von Ionenpaaren, die strukturelle Regelmäßigkeit, die spektroskopischen Eigenschaften und die Stärke der intermolekularen Kopplung zwischen Tetracen-Chromophoren. Somit spielte das Gegenion eine Schlüsselrolle bei der Steuerung der Chromophorausrichtung und des damit verbundenen SF-Prozesses.

Durch umfangreiche Experimente mit chiralen Aminen erreichte das Team eine Triplett-Quantenausbeute von 133 % und eine Geschwindigkeitskonstante von 6,99 × 10.⁹ S⁻¹. Im Gegensatz dazu beobachteten sie, dass Nanopartikel mit achiralen Gegenionen kein SF aufwiesen.

Das racemische Ionenpaar erzeugte durch SF auch einen intermediären korrelierten Triplettpaarzustand. Bei Triplettpaaren dominierte jedoch die Triplett-Triplett-Vernichtung; daher wurde keine Dissoziation in freie Tripletts beobachtet.

„Unsere Forschung bietet einen neuen Rahmen für das Moleküldesign in der SF-Forschung und wird den Weg für Anwendungen in den Energiewissenschaften, Quantenmaterialien, Photokatalyse und Biowissenschaften mit Elektronenspins ebnen. Darüber hinaus inspiriert sie uns dazu, SF in chiralen Molekülanordnungen in der organischen Forschung weiter zu erforschen.“ Medien und Dünnschichtsysteme, die für Anwendungen in Solarzellen und Photokatalysatoren unerlässlich sind“, schließt Kimizuka.