一种奇特的量子效应让能量传递大幅增强

在此前对质子耦合电子转移和质子耦合电子空穴转移研究的基础上，中国科学院大连化学物理研究所吴凯锋教授带领团队，进一步研究了另一项重要但尚未被充分理解的过程：与质子运动相关的三重态能量转移。三重态能量转移是自然和人工系统中传递能量的主要途径之一，但它与单重态能量转移的运行方式不同。通俗地说，三重态是一种电子自旋排布特殊、能量停留时间相对较长的激发状态；它和更常见的单重态在能量传递方式上存在差异。了解质子运动如何影响这一过程，可能为在先进材料中控制能量流动开辟新途径。研究人员在《自然·材料》发表论文，报道了一种此前未知的机制，称为质子穿梭辅助的三重态能量转移。他们观察到，当能量从基于硒化锌的胶体量子点传递到连接在其表面的苯酚-吡啶成对受体时，这一过程发挥作用。

质子穿梭如何移动能量？当硒化锌量子点吸收光后，会进入激发态。随后，一个空穴从硒化锌移动到苯酚，同时一个质子从苯酚移动到吡啶。这里所说的空穴，是电子离开后留下的正电荷位置，也能参与能量传递。接着，电子从硒化锌转移到苯氧自由基；与此同时，质子从带正电的吡啶即吡啶鎓移回原来的位置。这些相互关联的步骤共同实现了自旋三重态能量从硒化锌量子点到苯酚-吡啶成对受体的总体转移。质子最终回到出发点，但它的临时移动产生了重要影响。与不含质子穿梭的甲基化类似物相比，质子穿梭显著提高了三重态能量转移的速度和效率。团队还发现，在吡啶上引入强吸电子的三氟甲基取代基，可以改变质子耦合电子转移和空穴转移步骤的先后顺序。

室温下的量子隧穿。质子穿梭辅助三重态能量转移的速率几乎不随温度变化，说明质子并非通过常规的热驱动过程移动，而更像是通过量子力学隧穿方式传递。通俗地说，量子隧穿是指粒子有一定概率穿过按经典物理无法越过的能量势垒。涉及质子振动波函数重叠积分的计算支持了这一解释。这些积分有助于判断哪些激发态弛豫路径更有优势，从而引导体系实现高效的三重态能量迁移。结果表明，量子效应可以在室温下用于调控复杂材料中的电荷与能量转移。

在太阳能电池、激光器和催化领域的潜在用途。吴凯锋教授指出，质子穿梭辅助三重态能量转移机制的发现，对许多涉及分子自旋三重态激发态的现代分子技术具有深远意义。提高三重态生成效率，有望改善光氧化还原催化和环境催化；但在另一些技术中，反而需要限制三重态形成。有机光电器件，如太阳能电池和激光器，在抑制无益的三重态激发态时往往性能更好。该研究提示，科学家未来可能按需调控三重态形成：构建质子穿梭可增强该过程，而去掉质子穿梭则可减少或阻止它。