При экспериментальном применении магнитных полей до 25 Тесла молекулы с небольшим собственным магнетизмом проявляют магниточувствительные оптические и фотофизические свойства, согласно статье «Кольцевые токи модулируют оптоэлектронные свойства ароматических хромофоров при 25 Тесла», опубликованной в Proceedings of Национальная академия наук (PNAS).
Грегори Скоулз, Уильям С. Профессор химии Тодд и Брайан Кудиш, аспирант пятого курса и ведущий автор статьи, заявили, что открытие может позволить ученым коренным образом изменить электронные и фотофизические свойства некоторых классов молекул, используя магнитное поле в качестве «ручки»."
Экспериментируя с магнитным полем, которое почти в 1 миллион раз сильнее, чем у Земли, исследователи из группы Скоулза смогли изменить оптоэлектронные свойства модельных немагнитных органических хромофоров.
Модификации, согласно статье, возникают из-за индукции кольцевых токов в ароматических молекулах.
«Никто не ожидал, что органическая молекула без металла и собственного магнетизма будет иметь такой очевидный эффект магнитного поля», – сказал Кудиш. "Мы используем одни из самых мощных магнитных полей, генерируемых на Земле, и это справедливо. Но в то же время мы видим то, чего раньше не видели. А затем придумать подходящее объяснение, основанное на эффекте магнитного поля, обычно наблюдаемом в ядерном магнитном резонансе (ЯМР), а именно на ароматических кольцевых токах."
Токи ароматических колец можно понимать как предположение, что электроны, делокализованные ароматичностью, будут двигаться по кругу, когда магнитное поле приложено перпендикулярно к ароматической плоскости, обычно подталкивая химические сдвиги соседних атомов в ЯМР-спектроскопии.
«Это исследование показывает, что это явление с очень реальными химическими последствиями», – добавил Кудиш. «Здесь мы взяли то, что является обычным для одного типа спектроскопии, и показали, как это трансформируется совершенно неожиданным образом, используя наши спектроскопические методы."
Для эксперимента исследователи выбрали модельный ароматический хромофор под названием фталоцианин, который имеет молекулярную структуру, аналогичную хлорофиллу – природному поглотителю света, но с более сильным поглощением видимого света и более высокой стабильностью. Расчеты этого модельного соединения фталоцианина и его агрегатов показали четкие, зависящие от магнитного поля изменения способности фталоцианина поглощать свет.
Эти результаты являются первыми, демонстрирующими изменения в спектре поглощения диамагнитных молекул, зависящие от магнитного поля. Но только после того, как исследователи применили классический аналог соленоида, эксперимент стал ясным.
Соленоид – это электромагнитное устройство, которое эффективно преобразует электрическую и магнитную энергию с помощью проводящих петель из проволоки, расположенных как пружина.
По словам Кудиша, их мышление, основанное на поведении соленоидов, позволило им понять, что повышенная чувствительность к магнитному полю, которую они наблюдали в фталоцианиновых агрегатах, может зависеть от относительного расположения фталоцианиновых колец в агрегате.
«Это не только добавило дополнительной проверки нашей вычислительной поддержке, но и подтвердило идею связанных ароматических кольцевых токов – кольцевые токи соседних фталоцианиновых хромофоров в совокупности имеют геометрию, зависящую от усиления чувствительности к магнитному полю», – сказал он. сказал Кудиш. "Так же, как соленоид."
Начатый три года назад исследовательский проект объединил эксперименты с использованием сильного магнитного поля и возможностей сверхбыстрой спектроскопии.
Часть из них была выполнена с помощью спирального магнита Split-Florida в Национальном центре сильных магнитных полей в Таллахасси, Флорида, который может похвастаться самым сильным магнитом в мире для ЯМР-спектроскопии. Этот единственный в своем роде магнит может достигать и поддерживать напряженность магнитного поля до 25 Тл полностью резистивным образом – сам по себе, вероятно, самый мощный соленоид на планете. В рабочем состоянии магнит потребляет 2% энергии в городе.
Скоулз отметил, что статья PNAS знаменует собой вторую публикацию его группы, основанную на работе с магнитом с расщепленной спиралью во Флориде, сотрудничество, которое началось более восьми лет назад, когда магнит только разрабатывался.
Роль его группы заключалась в том, чтобы предложить и разработать сверхбыструю лазерную систему, которая подключается к магниту.
«Относительно легко получить такие сильные магнитные поля на ЯМР-магните, но наши эксперименты требуют, чтобы вы включили свет и направили его на образец, а затем каким-то образом погасили этот свет. А для этого нам нужна была лаборатория в Таллахасси. "Это куча почти невозможного", – сказал Кудиш.
Кудиш сказал, что получение агрегатов фталоцианина в форме органических наночастиц для их экспериментов было «самой простой частью» благодаря предыдущему сотрудничеству с Принстонским отделом химической и биологической инженерии.
Другие соавторы статьи включают Миланский политехнический институт и Национальный университет Кордовы.
В целом, по его словам, «эклектичная» атмосфера исследований в лаборатории Скоулза способствовала успеху проекта.
«Контекст таков, что эта лаборатория думает о некоторых из самых насущных проблем физической химии, о которых никто не задумывался, и выясняет, можно ли проверить идеи, которые мы придумываем», – сказал Кудиш. "Когда вы действительно погружаетесь в это, нас интересует, насколько глубоко в кроличью нору сверхбыстрой спектроскопии мы можем проникнуть, и что это может позволить нам научиться в самых разных областях."