Теперь исследователи использовали рентгеновский лазер в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США, чтобы наблюдать, что происходит, когда свет попадает на карбен железа. Они обнаружили, что он может реагировать двумя конкурирующими способами, только один из которых позволяет электронам течь в устройства или реакции там, где они необходимы.
В этом случае молекула выбирала путь производства энергии примерно в 60% случаев. Команда опубликовала свои результаты 31 января в Nature Communications.
В солнечном элементе карбен железа прикрепляется к полупроводниковой пленке на поверхности элемента, а его атом железа торчит вверх. Солнечный свет попадает на атом железа и высвобождает электроны, которые попадают в карбеновые насадки. Если они останутся на этих приспособлениях достаточно долго – 10 триллионных долей секунды или более – они смогут переместиться в солнечную батарею и повысить ее эффективность.
В химии увеличение энергии, которое обеспечивают фотосенсибилизаторы, помогает запускать химические реакции, но требует еще более длительного времени пребывания электронов на карбеновых присоединениях.
Чтобы выяснить, как это работает, международная группа под руководством исследователей из Стэнфордского института PULSE в SLAC исследовала образцы карбена железа с помощью импульсов рентгеновского лазера из лабораторного источника когерентного света линейного ускорителя (LCLS). Они одновременно измерили два отдельных сигнала, которые показывают, как движутся атомные ядра молекулы и как ее электроны перемещаются в и из связей железо-карбен.
Результаты показали, что электроны хранились в карбеновых приставках достаточно долго, чтобы выполнять полезную работу примерно в 60% случаев; в остальное время они вернулись к атому железа слишком рано, ничего не добившись.
Келли Гаффни из PULSE сказала, что долгосрочная цель этого исследования – сделать так, чтобы 100 процентов электронов оставались на карбенах намного дольше, чтобы энергия света могла быть использована для запуска химических реакций. Для этого ученым необходимо найти принципы дизайна, позволяющие адаптировать молекулы карбена железа к выполнению конкретных задач с максимальной эффективностью.