Reakcje inicjowane światłem można przyspieszyć zwiększając intensywność
ich oświetlenia, wykazały doświadczenia przeprowadzone w Instytucie
Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) w Warszawie. W celu
dokładnego zbadania natury zachodzących procesów, w eksperymentach użyto
ultrakrótkich impulsów laserowych nadlatujących parami jeden po drugim i
zanotowano wzrost szybkości reakcji zachodzącej między poszczególnymi
cząsteczkami nawet o kilkadziesiąt procent. Obserwacje warszawskich
naukowców zostały zrelacjonowane na łamach znanego czasopisma naukowego
„Physical Chemistry Chemical Physics”.
„Nasze eksperymenty dostarczają fundamentalnej wiedzy o procesach
fizycznych istotnych dla przebiegu ważnych reakcji indukowanych
światłem. Wiedza ta potencjalnie może być użyta w wielu zastosowaniach,
zwłaszcza tam, gdzie mamy do czynienia ze źródłami światła o dużej
intensywności. Należą do nich m.in. różne techniki obrazowania
mikroskopowego, ultraszybka spektroskopia, a także fotowoltaika, ze
szczególnym uwzględnieniem urządzeń koncentrujących światło, takich jak
kolektory słoneczne”, mówi dr hab. Gonzalo Angulo (IChF PAN).
W reakcjach inicjowanych światłem foton o odpowiedniej energii wzbudza
cząsteczkę barwnika. Gdy blisko tak wzbudzonej cząsteczki znajdzie się
cząsteczka wygaszacza, następuje interakcja: między obu reagentami
dochodzi do transferu energii, elektronu lub protonu. Reakcje tego typu
są w przyrodzie powszechne. Świetnym przykładem jest przeniesienie
elektronu w fotosyntezie, pełniącej kluczową rolę w formowaniu
ziemskiego ekosystemu.
Okazuje się, że czynnikiem mogącym wpłynąć na przyspieszenie reakcji
jest natężenie inicjującego je światła. W celu przebadania natury
zachodzących procesów warszawscy chemicy zamiast tradycyjnego, ciągłego
strumienia światła używali impulsów laserowych o czasie trwania rzędu
milionowych części miliardowej sekundy (a więc femtosekundowych).
Energię impulsów dobrano tak, by pod ich wpływem cząsteczki barwnika
przechodziły do wzbudzonego stanu energetycznego. Impulsy zgrupowano w
pary. Odstęp czasowy między impulsami w parze wynosił kilkadziesiąt
pikosekund (bilionowych części sekundy) i był dopasowany do rodzaju
reagujących cząsteczek i warunków środowiska roztworu.
„Teoria i same doświadczenia wymagały uwagi i ostrożności, jednak sama
idea fizyczna jest tu dość prosta”, zauważa mgr Jadwiga Milkiewicz,
doktorantka z IChF PAN, po czym wyjaśnia: „Żeby doszło do reakcji, w
pobliżu wzbudzonej światłem cząsteczki barwnika musi się znaleźć
cząsteczka wygaszacza. Jeśli więc mamy parę cząsteczek, które już ze
sobą przereagowały, to znaczy, że były one dostatecznie blisko siebie.
Zwiększając liczbę fotonów w czasie zwiększamy zatem szansę, że jeśli po
reakcji obie cząsteczki zdążyły już wrócić do stanu podstawowego, to
absorpcja nowego fotonu przez barwnik ma szansę zainicjować kolejną
reakcję nim cząsteczki oddalą się od siebie w przestrzeni”.
Przebieg reakcji w roztworach zależy od wielu czynników, takich jak
temperatura, ciśnienie, lepkość czy obecność pola elektrycznego bądź
magnetycznego. Badania w IChF PAN udowodniły, że czynniki te mają wpływ
także na wielkość przyspieszenia reakcji przy zwiększaniu intensywności
oświetlenia. W niektórych warunkach przyspieszenie reakcji było
niezauważalne, w optymalnych szybkość reakcji wzrastała nawet o 25-30%.
„W dotychczasowych doświadczeniach koncentrowaliśmy się na inicjowanych
światłem reakcjach transferu elektronu, czyli takich, w wyniku których
zmienia się ładunek elektryczny cząsteczek. Nie widzimy jednak powodów,
by zaobserwowany przez nas mechanizm nie mógł funkcjonować także w
innych odmianach tych reakcji. Dlatego w najbliższym czasie spróbujemy
potwierdzić jego skuteczność w reakcjach z transferem energii oraz z
transferem protonu”, mówi dr Angulo.
Oprócz fizyków i chemików z IChF PAN i Wydziału Fizyki Uniwersytetu
Warszawskiego, finansowanych z grantu HARMONIA Narodowego Centrum Nauki,
w części eksperymentalnej uczestniczyła grupa prof. Gunthera Gramppfa z
Politechniki w Grazu. W austriackim laboratorium wykonano doświadczenia
porównawcze na próbkach oświetlanych w sposób ciągły. W prace
teoretyczne zespołu był także zaangażowany dr Daniel Kattnig z
Uniwersytetu w Oksfordzie.
Informacja prasowa zrealizowana ze środków europejskiego grantu ERA Chairs w ramach programu Horizon 2020.
Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (
http://www.ichf.edu.pl/)
został powołany w 1955 roku jako jeden z pierwszych instytutów
chemicznych PAN. Profil naukowy Instytutu jest silnie powiązany z
najnowszymi światowymi kierunkami rozwoju chemii fizycznej i fizyki
chemicznej. Badania naukowe są prowadzone w dziewięciu zakładach
naukowych. Działający w ramach Instytutu Zakład Doświadczalny CHEMIPAN
wdraża, produkuje i komercjalizuje specjalistyczne związki chemiczne do
zastosowań m.in. w rolnictwie i farmacji. Instytut publikuje około 200
oryginalnych prac badawczych rocznie.
poleca:
