在光照下具有優異特性的莫比烏斯分子及其潛在應用

正如它們的名稱所暗示的那樣，Mobius（莫比烏斯）分子（與Hückel體系共軛分子芳香性不同，若將Hückel體系共軛分子，以一個端點碳原子為原點,把分子鏈上的其它碳原子，在共軛平面中作扭轉,其結果恰好使另一個端點碳原子轉動180°，然後，再將頭尾兩個碳原子相連，使之形成單環共軛多烯烴。在這類單環共軛多烯烴中，頭尾兩個碳原子的p軌道位相相反（或位相轉換數為1）這種體系叫莫比烏斯體系。）具有扭曲的環結構，這是一個具有許多潛在應用的特殊特徵。日本神戶大學的一個研究小組已經揭示了一種類型的Mobius（莫比烏斯）芳香族分子的性質，該分子在光照下會表現出磁性，並且能保持高能級。這些特性有可能會應用於有機太陽能電池，電燈和導電材料中。

a）具有Mobius芳香性質的4n有機化合物中的π電子軌道和Mobius環。 b）環狀分子（[28]六啉）的結構，由於其基態的Mobius芳族性質（n = 7）而顯示出穩定性。圖片來源：日本神戶大學

這項研究結果是由神戶大學的Yasuhiro Kobori教授，京都大學的AtsuhiroOsuka教授，大阪市立大學的Kazunobu Sato教授和TakuiTakui項目教授領導的研究小組合作得來的，這一科研成果於5月10日發表在「Physical Chemistry Letters」雜誌上。

M?bius的芳香族分子之所以引起人們的注意，是因為它們可以被光所激發。當發生這種情況時，它們在電子激髮狀態中表現出「反芳香性」，其特徵是高能級和高度不穩定性。這種激發態可用於有機薄膜太陽能電池和電致發光元件等生態環保型有機器件的研製。然而，科學家對於這種狀態的電子特性及其反芳香性質背後的細節仍不清楚。

在這項研究中，該團隊採用了時間分辨電子順磁共振方法，利用微波和電磁體來檢測活性中間體的磁性。他們觀察到M?bius芳香族分子[28]六啉的激發態三重態。用激光脈衝照射這種六啉，他們檢測到微波和電子自旋之間的共振，這與激發三重態的磁性和外部磁場有關，作為快照，每次激光脈衝後精確度為1000萬分之一秒。

它們還改變了激光脈衝相對於外部磁場方向的偏振角度。這使得他們能夠闡明三重態自旋的三維位置，以及三重態失活過程中1000萬張快照。他們的分析表明，扭曲的環分子具有「電荷轉移」的特性，它以軌道之間的直角釋放和定位電荷。電荷轉移阻止了電子之間的交換相互作用所引起的穩定效應，從而為分子的強反芳香性提供了更高的能量來源。

目前三重態中的電子分布與不呈現磁性的激發單重態物質中的電子分布有非常大的不同。這項研究表明，每個電子分布都位於分子環框架的一部分。他們還表明，改變三重態中局域軌道之間的軌道角動量會導致一個子能級快速失活到基態。這些正交的軌道角度關係只出現在扭曲的M?bius拓撲結構中，這意味著失活過程可以為反芳香特徵的索引和激發態的幾何分析提供新的工具。

Kobori教授評論說：「這種高活性激發態的特殊電子性質可用於電子功能材料，如有機太陽能電池和電導體，並可能有助於解決能源和環境問題。」

原文來自sciencedaily.原文題目：Shedding light on a cyclic molecule with a twist，由材料科技在線團隊翻譯整理

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！