Une découverte inattendue dans le laboratoire de chimie du professeur Arthur Suits pourrait avoir des implications pour la fabrication de cellules solaires plus efficaces et l'amélioration des thérapies photodynamiques pour le traitement du cancer, et il peut contribuer à la recherche sur l'informatique quantique. Au cœur de la découverte se trouve le spin des électrons. Les molécules sont soit non magnétiques soit magnétiques selon que deux électrons sont appariés avec des spins opposés ou non appariés avec les mêmes spins. Les molécules peuvent passer des formes magnétiques aux formes non magnétiques ou vice versa dans un processus appelé retournement de spin, mais Suits dit que le processus est inefficace et se déroule lentement.

"Il est bien connu que si une molécule non magnétique absorbe la lumière, souvent il passe à la forme magnétique, et cette forme vivra longtemps et émettra lentement de la lumière, " dit-il. " On sait aussi que dans une réaction chimique, vous pouvez commencer avec des formes magnétiques, et quand ils réagissent, ils deviennent non magnétiques. Mais c'est un processus inefficace qui ne se fait pas facilement, et se produit généralement rarement dans les réactions chimiques.

Ce que Suits et son équipe ont découvert, c'est que les basculements de spin entre les formes magnétiques et non magnétiques peuvent se produire très efficacement au cours d'une réaction chimique, car les produits se séparent après la réaction s'il s'agit de deux "radicaux" - des molécules avec au moins un électron non apparié chacune.

Théorie versus expérience

"Pour montrer cela, nous avons mené une expérience de diffusion dans laquelle deux faisceaux moléculaires de réactifs, un oxygène atomique et l'autre des alkylamines, sont traversés à l'intérieur d'une enceinte à vide pour former des produits détectés au laser, " Suits dit. " Quand ceux-ci se réunissent, ils forment une molécule intermédiaire qui vit longtemps avant de se désintégrer. La théorie dit que s'il reste sous la forme magnétique de départ, il ne peut pas vivre longtemps. Le résultat montre qu'il devient non magnétique pendant la réaction."

Pour résoudre le problème, Suits et ses collègues, le boursier postdoctoral Hongwei Li et le doctorant Alexander Kamasah, collaboré avec un collègue de l'Université Temple, Spiridoula Matsika, professeur de théorie informatique, qui a effectué des calculs sophistiqués pour examiner la probabilité de transitions des formes magnétiques aux formes non magnétiques. Ils ont découvert que les retournements de spin dans cette réaction se produisent beaucoup plus rapidement que prévu - en seulement une demi-picoseconde, ou un demi-billionième de seconde. L'aspect surprenant est que cela se produit après la fin de la réaction, tandis que les produits s'attardent ensemble.

"Les chercheurs sauront désormais qu'une fois que ces grosses molécules commenceront à se dissocier, un résultat possible est qu'ils peuvent passer des formes magnétiques aux formes non magnétiques, " Suits dit. " Tout le monde pense que c'est un processus lent, mais nous montrons que ce n'est pas toujours un processus lent, et par conséquent, cela peut se produire lors d'une réaction chimique transitoire."

Suits et son équipe affirment que la compréhension de ce comportement est fondamentale dans des domaines allant de la physique chimique à la biologie chimique, avec des applications en science des matériaux, photonique moléculaire, photosensibilisateurs, et la thérapie photodynamique pour le cancer.

Le financement de la recherche a été fourni par le département américain de l'Énergie, le bureau de recherche de l'armée, et la Fondation nationale des sciences. L'étude, "Intersystem Crossing in the Exit Channel" a été publié dans Chimie de la nature .