Nové experimenty ukazují, že přenos energie závisí více na vibracích, než se dříve myslelo. Tento článek přináší pohled do kvantové laboratoře.
Přenos energie v molekulách je jednou z klíčových otázek fyziky a chemie. Tento proces rozhoduje o tom, jak funguje fotosyntéza, jak sluneční články přeměňují světlo na elektrickou energii, a jak se náboje pohybují organickými materiály. Dlouho byl tento proces obtížně přístupný, protože jednotlivé faktory bylo obtížné experimentálně oddělit. Tým vedený Guidem Paganem z Rice University však nyní ukazuje, že to možné je – díky speciálně vyvinutému kvantovému simulátoru.
Molekulární struktura z světla a atomů
Aby vědci prozkoumali tento proces, nevytvořili skutečné molekuly, ale umělé. Základem byla řetězce zachycených iontů, elektricky nabitých atomů, které bylo možné precizně ovládat pomocí laserového světla. Dva různé izotopy stejného prvku přitom plnily jasně vymezené role. Jeden izotop kodoval vlastnosti samotného molekuly, zatímco druhý tvořil jeho okolí.
Tento systém se chová jako molekula se dvěma energetickými hladinami: má donorové místo, které energii uvolňuje, a akceptorové místo, které ji přijímá. Vibrace také hrají roli – lze je přirovnat k vibracím skutečných molekul. Tyto vibrace byly po léta považovány za klíčové pro lepší pochopení přenosu energie.
Vibrace jako důležitý faktor
V klasických modelech byly molekulární vibrace často považovány za rušivé faktory. Odebíraly energii systému a ztěžovaly čistý transfer. Nový experiment však ukazuje odlišný obraz. Vědci mohli cíleně nastavit dva různé typy vibrací a také určit, jak silně ztrácí energii do svého okolí.
„Nyní můžeme sledovat, jak se energie pohybuje v syntetickém molekule, zatímco každou proměnnou nezávisle nastavujeme, abychom zjistili, co je skutečně důležité,“ říká Pagano.
Klíčový bod: Vibrace otevírají nové cesty, po nichž energie putuje od donoru k akceptoru. V některých konfiguracích se tyto cesty dokonce vzájemně posilují. Výsledkem je rychlejší a robustnější přenos energie – i když systém neustále předává energii svému okolí.
Kontrola namísto chemické náhody
V reálných molekulách jsou elektronické stavy, vibrace a vlivy prostředí úzce propojeny. Změna jednoho parametru téměř vždy ovlivní několik dalších. Kvantový simulátor toto problém obchází. Lasery s přesně laděnými frekvencemi vytvářejí požadované energetické stavy a cíleně je spojují vázáním na vibrace. Další mechanismus umožňuje vibracím ztrácet energii – podobně jako ve skutečných materiálech.
Vytváří se tak experimentální situace, kterou klasická chemie sotva nabízí: každou páku lze otáčet samostatně. Tím se stává zřejmým, které faktory skutečně určují tok energie a které pouze zaznamenávají vedlejší účinky.
Nečekaná robustnost energetického toku
Jedním z centrálních výsledků této studie je takzvaná energetická úprava. Obvykle efektivní přenos funguje pouze tehdy, když se energie donoru a akceptoru dobře shodují. Pokud se výrazně liší, tok se zastaví. Při experimentu se však ukázalo, že při více vibracích tato shoda ztrácí na významu. Přenos energie zůstává efektivní v mnohem širším spektru.
„Výsledky ukazují, že vibrace a jejich okolí nejsou jen pozadím, ale aktivně mohou řídit tok energie nečekaným způsobem,“ komentuje Pagano.
Relevance pro technologie a materiály
Vědci zůstávají opatrní, co se týče přímých aplikací. Je však jasné, kde by výsledky mohly dlouhodobě zasáhnout. Organické solární články, molekulární dráty nebo světlem aktivované materiály často utrpí ztráty při přenosu energie nebo náboje. Kdo porozumí tomu, jak vibrace tento proces podporují, může navrhnout materiály, které z toho budou profitovat.
„Jedná se o jevy, jejichž existenci fyzikální chemici teoreticky předpokládali, ale nebylo je dosud snadné experimentálně izolovat, zejména nikoli na programovatelným základě,“ říká Visal So, doktorand na Rice University a hlavní autor studie.
