科学家观察纳米材料中相邻分子之间的定向能量传输

当光线照射在绿叶或视网膜等材料上时，某些分子会传输能量和电荷。这最终导致电荷分离和发电。分子漏斗，即所谓的锥形交叉点，确保这种运输是高效和定向的。

一个国际物理学家团队现已观察到，这种锥形交叉点也确保了纳米材料相邻分子之间的定向能量传输。理论模拟证实了实验结果。到目前为止，科学家们只在一个分子内观察到了这种现象。例如，从长远来看，这些结果可能有助于为有机太阳能电池开发更有效的纳米材料。该研究由奥尔登堡大学的 Antonietta De Sio 和德国不来梅大学的 Thomas Frauenheim 领导，发表在最新一期的科学期刊《自然纳米技术》上。

光化学过程在自然界和技术中发挥着重要作用：当分子吸收光时，它们的电子会转变为激发态。这种转变触发了极快的分子转换过程。例如，在人眼中，视紫红质分子在吸收光后以某种方式旋转，从而最终触发电信号——这是视觉过程中最基本的步骤。

分子间锥形交叉的第一个实验证据

奥尔登堡大学超快纳米光学教授、该研究的合著者 Christoph Lienau 解释说，这是因为视紫质分子的一种特殊性质：“旋转过程总是以类似的方式发生，尽管从从量子力学的角度来看，分子运动有许多不同的可能性。”

这是因为分子在旋转过程中必须通过一个锥形交叉点，正如 2010 年的一项研究在视觉色素中的实验证明的那样：“这种量子力学机制的功能就像分子中的单行道：它引导以非常高的概率向某个方向提供能量，”Lienau 解释说。

由奥尔登堡大学超快纳米光学研究小组的高级科学家 Antonietta De Sio 和不来梅大学计算材料科学教授 Thomas Frauenheim 领导的研究小组现已观察到这样一条单行道纳米材料中的电子。该材料已由德国乌尔姆大学的同事合成，并已用于高效的有机太阳能电池设备。

“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锥形交叉点，”De Sio 解释说。迄今为止，全世界的物理学家都只观察到单个分子内的量子力学现象，并且只是推测彼此相邻的分子之间也可能存在锥形交叉点。

理论计算支持实验数据

De Sio 的团队通过使用超快激光光谱方法发现了这条电子单向街道：科学家们用持续时间只有几飞秒的激光脉冲照射材料。一飞秒是十亿分之一秒的百万分之一。该方法使研究人员能够记录光线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穿过锥形交叉点。

研究人员发现，电子和特定核振动之间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，就像在单行道上一样。这正是锥形交叉点中发生的情况。“在我们研究的材料中，从第一次光激发到通过锥形交叉点之间只用了大约 40 飞秒，”De Sio 说。

为了证实他们的实验观察，来自奥尔登堡和不来梅的研究人员还与来自新墨西哥州洛斯阿拉莫斯实验室和摩德纳的 CNR-Nano 的理论物理学家合作。“通过他们的计算，他们清楚地表明我们正确解释了我们的实验数据，”De Sio 解释说。

奥尔登堡的研究人员还无法详细估计这些量子力学单向街道对分子纳米结构未来应用的确切影响。然而，从长远来看，新发现可能有助于为有机太阳能电池或光电器件设计新型纳米材料，提高效率，或用纳米结构开发人工眼。

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