Rekordowe osiągi i nieskomplikowana synteza. Kluczowe właściwości nowego kompleksu
Oznaczony jako [Mn(pbmi)2]+ kompleks manganu(I) osiąga czas życia stanu wzbudzonego wynoszący 190 nanosekund w temperaturze pokojowej. W praktyce oznacza to, że cząsteczka po zaabsorbowaniu światła pozostaje aktywna na tyle długo, by efektywnie uczestniczyć w reakcjach chemicznych. Wcześniejsze próby z powszechnie występującymi metalami, takimi jak żelazo czy inne związki manganu, pozwalały uzyskać czasy życia rzędu pikosekund lub zaledwie kilku nanosekund.
Czytaj też: Stopy metali odkryte na nowo. Wszystko dzięki ukrytym wzorom atomowym
Droga do tego osiągnięcia była długa i wymagała stopniowego udoskonalania technologii. Podczas gdy kompleksy żelaza(II) [FeII(bpy)3]2+ charakteryzowały się czasem życia wynoszącym około 50 femtosekund, ich ulepszone wersje [FeII(pbmi)2]2+ osiągnęły kilka pikosekund. Kompleksy poliizonitrylowe chromu i manganu dotarły do około 2 nanosekund. Obecny rezultat oznacza więc wzrost o sześć rzędów wielkości w porównaniu z punktem wyjścia.
Równie istotnym aspektem jest prostota syntezy nowego związku. Wcześniejsze próby tworzenia efektywnych kompleksów manganu wymagały skomplikowanych, wieloetapowych procesów chemicznych. Tymczasem nowy związek powstaje w jednoskładnikowej reakcji z łatwo dostępnych komercyjnych materiałów wyjściowych. To kluczowa różnica z perspektywy przemysłowej, gdyż prostsza synteza przekłada się na niższe koszty produkcji i większą skalowalność.
Efektywna absorpcja światła i trwałość. Badania nad transferem elektronów
Kompleks manganu wyróżnia się wyjątkowo silną absorpcją światła, co oznacza wysokie prawdopodobieństwo wychwycenia fotonu przez cząsteczkę. Ta cecha bezpośrednio przekłada się na efektywne wykorzystanie energii świetlnej w procesach fotochemicznych.
Jego absorpcja światła jest wyjątkowo silna, co oznacza, że prawdopodobieństwo wychwycenia cząstki światła jest bardzo wysokie – kompleks w ten sposób bardzo efektywnie wykorzystuje światło – tłumaczy Christoph Förster z Uniwersytetu Johannesa Gutenberga w Moguncji
Nie mniej imponująca jest fotostabilność nowego związku. Wydajność fotodegradacji wynosi zaledwie 0,0002%, co stanowi stukrotną poprawę w porównaniu z referencyjnym kompleksem rutenu [Ru(bpy)3]2+. W praktyce oznacza to, iż materiał może być wielokrotnie wykorzystywany w reakcjach fotochemicznych bez znaczącej utraty właściwości. Badacze potwierdzili również zdolność kompleksu do transferu elektronów. W testach z benzofenonem udało się zarejestrować początkowy produkt fotoreakcji, co dowodzi, że związek może efektywnie redukować substraty organiczne. Ta cecha ma fundamentalne znaczenie dla zastosowań w fotokatalizie redoks.
Zastosowania przemysłowe. Od produkcji wodoru po optoelektronikę
Potencjalne zastosowania nowego kompleksu manganu obejmują różne dziedziny przemysłu. W pierwszej kolejności naukowcy wskazują na produkcję wodoru jako paliwa przyszłości. Fotokatalityczne rozszczepienie wody wymaga materiałów o długim czasie życia stanu wzbudzonego i wysokiej stabilności. Są to właściwości, które wykazuje nowy związek. Kolejny obszar to syntetyczna fotochemia, gdzie reakcje chemiczne są inicjowane i kontrolowane światłem. Dotychczas dominowały tu drogie katalizatory na bazie rutenu czy irydu. Kompleks manganu może je zastąpić w wielu aplikacjach, znacząco obniżając koszty procesów przemysłowych.
Równie obiecujące są zastosowania w urządzeniach optoelektronicznych, takich jak diody LED czy ogniwa fotowoltaiczne. Silna absorpcja światła i wysoka fotostabilność czynią z manganu atrakcyjny materiał dla tego typu technologii. Nie bez znaczenia pozostaje fotochemia medyczna, gdzie związki aktywowane światłem mogą być wykorzystywane w terapii fotodynamicznej czy precyzyjnym dostarczaniu leków.
Ten kompleks metalu wyznacza nowy standard w fotochemii: łączy rekordowo długi czas życia stanu wzbudzonego z prostą syntezą. Tym samym oferuje potężną i zrównoważoną alternatywę dla kompleksów metali szlachetnych, które od dawna dominowały w chemii napędzanej światłem – podsumowuje Katja Heinze
Odkrycie naukowców z Moguncji pokazuje, że fotofizyka i fotochemia prostych kompleksów zawierających powszechnie występujące metale osiągnęły poziom porównywalny z drogimi metalami szlachetnymi. Perspektywa zastąpienia rutenu i irydu tańszym i bardziej dostępnym manganem wydaje się coraz realniejsza. Jeśli synteza okaże się tak prosta i skalowalna, jak zapowiadają badacze, możemy stać się świadkami prawdziwej transformacji w dziedzinie technologii fotochemicznych.