Bu Sıradan Metalin Olağanüstü Bir Gücü Var
Yeni bir manganez(I) kompleksi, en uzun uyarılmış hal ömrü rekorunu kırarak, fotokimyada gelecekte büyük ölçekli uygulamalara kapı açıyor.
Kimyasal reaksiyonlar genellikle ısıyla çalışır, ancak bilim insanları, reaksiyonların olağanüstü bir hassasiyetle yönlendirilmesini sağladığı için enerji kaynağı olarak giderek daha fazla ışığa yöneliyor. Bu ışık temelli sürece fotokimya denir.
Yakın zamana kadar fotokimyasal reaksiyonlar, ekstraksiyon sırasında çevresel zorluklar da oluşturan rutenyum, osmiyum veya iridyum gibi nadir ve pahalı metallere bağlıydı. Şimdi ise Johannes Gutenberg Üniversitesi Mainz’deki (JGU) araştırmacılar, hem bol bulunan hem de ucuz bir element olan manganez kullanan çığır açıcı bir metal kompleksi geliştirdiler.
JGU Kimya Bölümü’nden Profesör Katja Heinze, “Bu metal kompleksi, fotokimyada yeni bir standart belirliyor: Rekor kıran bir uyarılmış hal ömrünü basit sentezle birleştiriyor,” dedi. “Böylece, uzun süredir ışık odaklı kimyaya hakim olan soy metal komplekslerine güçlü ve sürdürülebilir bir alternatif sunuyor.”
Tek Adımlı Sentez ve Güçlü Emilim
Manganez, Dünya’da rutenyumdan 100.000 kat daha yaygın olmasına rağmen, fotokimyadaki kullanımı uzun süredir sınırlıdır. Bu durum, büyük ölçüde, genellikle dokuz veya on aşama gerektiren karmaşık, çok adımlı sentez süreci ve uyarılmış halinin çok kısa ömründen kaynaklanmaktadır.
Heinze grubunda orijinal sentezi gerçekleştiren eski bir doktora öğrencisi olan Dr. Nathan East, “Yeni geliştirilen manganez kompleksi her iki zorluğun da üstesinden geliyor,” diye açıkladı. Yeni malzeme, ticari olarak temin edilebilen başlangıç malzemelerinden doğrudan, tek bir sentez adımında sentezleniyor.
Araştırmacılar, manganeze ek olarak, kompleksin özelliklerinin ayarlanmasını sağlayan bir ligand kullanıyor.
Şekilde manganez kompleksinin moleküler yapısı (ortada), mor manganez kompleksinin çözeltisini içeren küvet (sol üstte), kompleksin yüksek renk yoğunluğunu açıklayan emilim spektrumu (mor) ve uzun ömrünü ölçmek için kullanılan kompleksin lüminesans spektrumu (yeşil) gösterilmektedir. Kaynak: Katja Heinze
“Renksiz bir manganez tuzu ile renksiz ligandın çözeltideki birleşimi, tıpkı mürekkep gibi anında koyu mor bir renk üretir. Bu, bir manganez kompleksi için oldukça sıra dışı bir renk ve bize benzersiz bir şeyin gerçekleştiğini gösterdi,” diye ekledi Max Planck Lisansüstü Merkezi’ndeki (MPGC) Heinze grubunda doktora öğrencisi olarak bu yeni manganez kompleksini daha ayrıntılı inceleyen Sandra Kronenberger.
Ortaya çıkan manganez kompleksi sadece etkileyici görünmekle kalmıyor, aynı zamanda dikkat çekici özellikler de sergiliyor: Projeyi kuantum kimyasal hesaplamalarıyla destekleyen Dr. Christoph Förster, “Işık emilimi olağanüstü derecede güçlü, yani hafif bir parçacığı yakalama olasılığı çok yüksek; kompleks bu nedenle ışığı çok verimli kullanıyor,” diye açıkladı.
Uyarılmış durum ömrü 190 nanosaniye sınırını aşıyor
“Kompleksin 190 nanosaniyelik ömrü de dikkat çekici. Bu, demir veya manganez gibi yaygın metaller içeren daha önce bilinen komplekslerden iki kat daha uzun,” diyor lüminesans spektroskopisi kullanarak kompleksin uyarılmış durumunun dinamiklerini karakterize eden baş bilim insanı ve spektroskopist Dr. Robert Naumann.
Fotokimyada, katalizör, bu durumda manganez kompleksi, ışıkla uyarılır. Difüzyon yoluyla başka bir molekülle karşılaştığında, ona bir elektron aktarır. Parçacıkların birbirini bulması nanosaniyeler sürebileceğinden, uyarılmış durum mümkün olduğunca uzun sürmelidir.
Peki kompleks, araştırmacıların umduğu gibi, yani bir elektronu başka bir moleküle aktarabiliyor mu? Profesör Katja Heinze, “Fotoreaksiyonun ilk ürününü – gerçekleşen elektron transferini – tespit edebildik ve böylece kompleksin istenildiği gibi tepki verdiğini kanıtladık,” diye özetledi.
Bu keşif, sürdürülebilir fotokimyanın sınırlarını genişletiyor. Ölçeklenebilir tek adımlı sentezi, verimli ışık emilimi, güçlü fotofiziksel davranışı ve uzun süreli uyarılmış durumu sayesinde, yeni manganez içeren malzeme, fotoreaksiyonların gelecekteki büyük ölçekli uygulamalarının önünü açıyor. Bu, gelecekteki uygulamalar, örneğin sürdürülebilir hidrojen üretimi için önemli olabilir.
Kaynak: https://scitechdaily.com