Des chercheurs de l'Université de Californie, Bord de rivière, ont, pour la première fois, utilisé avec succès des dipôles électriques pour supprimer complètement le transfert d'électrons dans une direction tout en accélérant dans l'autre. La découverte pourrait aider au développement de cellules solaires améliorées et d'autres dispositifs de conversion d'énergie et accélérer la conception de nouveaux et superbes matériaux énergétiques et électroniques.

Il n'est pas exagéré de dire que la vie dépend d'un transfert d'électrons strictement réglementé.

Le transfert d'électrons est l'un des processus les plus fondamentaux pour le maintien de la vie et la conversion de l'énergie. Il se produit lorsqu'un électron se déplace d'un atome ou d'une molécule à un autre, apportant son énergie électrique avec lui. Photosynthèse, respiration mitochondriale et cellulaire, et la fixation de l'azote font partie des nombreux processus biologiques rendus possibles par le mouvement ordonné des électrons.

Parce que le transfert d'électrons est à la fois omniprésent et important, les scientifiques ont investi d'énormes efforts pour comprendre le processus, et utilisé ce qu'ils ont appris pour créer des cellules solaires, réservoirs de carburant, batteries et de nombreux autres appareils qui dépendent également d'un transfert d'électrons efficace.

Mais le délicat ballet d'électrons dans les êtres vivants chorégraphié à travers des éons d'évolution ressemble plus à une plongée sur scène dans un mosh pit lorsqu'il est appliqué à des technologies créées par l'homme.

Les scientifiques peuvent contrôler le transfert d'électrons dans une certaine mesure, mais ont du mal à rassembler toutes les particules subatomiques dans une seule direction. Quand ils dirigent les électrons vers l'avant, inévitablement, certains reculent aussi, provoquant une perte d'énergie.

Valentin Vullev, professeur de bio-ingénierie au Bourns College of Engineering, a dirigé une équipe internationale de chercheurs de l'UC Riverside, Pologne, la République tchèque, et le Japon qui a utilisé des dipôles moléculaires pour exploiter le transfert d'électrons. Les dipôles moléculaires se produisent lorsque l'un des atomes d'une molécule a une composition plus susceptible d'attirer les électrons, qui ont une charge électrique négative. Les dipôles moléculaires sont partout et ont de puissants, des champs électriques à l'échelle nanométrique qui peuvent guider les processus de transfert d'électrons souhaités et supprimer ceux qui ne sont pas souhaités.

Alors que les dipôles électriques génèrent d'énormes champs autour d'eux, la force des champs électriques diminue rapidement avec la distance. Par conséquent, il est essentiel de placer le dipôle au plus près des molécules de transfert d'électrons.

Le groupe de Vullev a incorporé le dipôle dans la molécule donneuse d'électrons, électret 5-N-amido-anthranilamide, une substance avec une charge électrique semi-permanente et une polarisation dipolaire, semblable à un aimant. Les chercheurs ont exposé l'électret à différents solvants pour déclencher le transfert d'électrons. Avec des solvants à faible polarité, ils ont considérablement amélioré l'effet des dipôles et guidé tous les électrons dans une seule direction.

C'est la première fois que des scientifiques montrent que le dipôle accélère le transfert d'électrons dans un sens et le supprime complètement dans l'autre.

"Cette découverte ouvre des portes pour guider les processus de transfert d'électrons vers l'avant, tout en supprimant la transduction électronique en arrière indésirable, qui est l'un des Saint Graal de la photophysique et de la science de l'énergie, " dit Vullev.

La clé résidait dans l'établissement d'un équilibre subtil entre l'abaissement de la polarité du solvant et l'amélioration de l'effet dipôle sans tuer le transfert d'électrons. Des composants moléculaires conçus sur mesure avec les bonnes propriétés électroniques ont contribué à optimiser cet équilibre.

« Bien qu'il semble que nous résolvions un problème important de chimie physique et de physique, les conclusions de nos travaux peuvent avoir de vastes impacts interdisciplinaires, et s'avérer important pour les domaines pertinents, comme la biologie moléculaire, physiologie cellulaire, et la science et l'ingénierie de l'énergie, " a déclaré Vullev. " Une meilleure compréhension du transfert d'électrons au niveau moléculaire améliorera notre compréhension des systèmes vivants et servira de base à des technologies énergétiques efficaces. "