تغيير الخصائص الإلكترونية والفيزيائية الضوئية لبعض الجزيئات magnetic molecules

تغيير الخصائص الإلكترونية والفيزيائية الضوئية لبعض الجزيئات

تاريخ :4 مايو 2020

مصدر: جامعة برينستون

ملخص:

نشر قسم الكيمياء بجامعة برينستون بحثًا هذا الأسبوع عن المجال المغناطيسي التطبيقي , حيث قاموا بتجربة مجال مغناطيسي أقوى بنحو 1 مليون مرة من مجال الأرض ، تمكن الباحثون من تعديل الخصائص الإلكترونية الضوئية للنماذج العضوية غير المغناطيسية. حيث تنشأ من تحريض التيارات الحلقيّة في الجزيئات العطريّة.

 

 

يوضح بحث جديد أن المجال المغناطيسي التطبيقي سوف يتفاعل مع البنية الإلكترونية لجزيئات تمتلك مغناطيسية ضعيفة أو تمتلك مغناطيسية معاكسة للحث على تأثير المجال المغناطيسي الذي لم يتم توثيقه من قبل. مع التطبيق التجريبي للمجالات المغناطيسية حتى 25 تسلا ، تُظهر الجزيئات التي تتمتع بقليل من المغناطيسية الجوهرية خصائص بصرية وفيزيائية ضوئية حساسة للمغناطيسية.

 

 

مع التطبيق التجريبي للمجالات المغناطيسية حتى 25 تسلا ، فإن الجزيئات ذات المغناطيسية الجوهرية الضئيلة تظهر خصائص بصرية وفيزيائية ضوئية حساسة للمغناطيسية ، وفقًا للورقة ، "تيارات الحلقة تعدل الخصائص الضوئية الإلكترونية للكرومات العطرية عند 25 تسلا" ، المنشورة في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم  (PNAS)

 

قال جريجوري سكولز ، أستاذ الكيمياء في وليام إس تود ، وبريان كوديش ، طالب الدراسات العليا في السنة الخامسة والمؤلف الرئيسي للصحيفة ، إن الاكتشاف يمكن أن يسمح للعلماء بتغيير الخصائص الإلكترونية والفيزيائية الضوئية لبعض الفئات من الجزيئات عن طريق استخدام المجال المغناطيسي كـ "مقبض".

 

من خلال تجربة مجال مغناطيسي أقوى بنحو 1 مليون مرة من مجال الأرض ، تمكن الباحثون في مجموعة سكولز من تعديل الخصائص الإلكترونية الضوئية للنماذج العضوية غير المغناطيسية. التعديلات ، تنشأ من تحريض التيارات الحلقيّة في الجزيئات العطريّة.

 

وقال كوديش "لا يتوقع أحد أن يكون لجزيء عضوي بدون معدن ولا مغناطيسية جوهرية تأثير مجال مغناطيسي واضح". "نحن نستخدم بعضًا من أكبر المجالات المغناطيسية المتولدة على الأرض ، وهذا عادل. ولكن في الوقت نفسه ، نرى شيئًا لم يسبق رؤيته من قبل. وبعد ذلك نخرج بتفسير مناسب يستدعي تأثير المجال المغناطيسي بشكل شائع ينظر إليها في الرنين المغناطيسي النووي (NMR) ، وهي التيارات الحلقيّة العطرية ، مُرضية جدًا ".

 

يمكن فهم التيارات الحلقيّة العطرية على أنها اقتراح مفاده أن الإلكترونات المفصّلة عن طريق العطرية ستتحرك بشكل دائري عندما يتم تطبيق مجال مغناطيسي متعامد على المستوى العطري ، وعادةً ما يدفع التحولات الكيميائية للذرات القريبة في مطيافية الرنين المغناطيسي النووي.

 

وأضاف كوديش "يظهر هذا البحث أن هذه ظاهرة لها آثار كيميائية حقيقية للغاية". "هنا ، اتخذنا شيئًا شائعًا في نوع واحد من أنواع التحليل الطيفي وأظهرنا كيف يتحول بطريقة غير متوقعة تمامًا أثناء استخدام طرقنا الطيفية".

 

بالنسبة للتجربة ، اختار الباحثون نموذجًا للكروموفور العطري يسمى الفثالوسيانين ، والذي له بنية جزيئية تشبه الكلوروفيل - امتصاص الضوء الطبيعي - ولكن مع امتصاص أقوى للضوء المرئي واستقرار أعلى. أظهرت الحسابات على هذا النموذج من مركب الفثالوسيانين ومجموعته تغيرات واضحة تعتمد على المجال المغناطيسي لقدرة الفثالوسيانين على امتصاص الضوء. هذه النتائج هي أول من أظهر التغيرات التي تعتمد على المجال المغناطيسي في طيف الامتصاص من الجزيئات المغناطيسية. ولكن لم يطبق الباحثون النظير الكلاسيكي للملف اللولبي حتى أصبحت التجربة أكثر وضوحًا.

 

الملف اللولبي هو جهاز كهرومغناطيسي يحول الطاقة الكهربائية والمغناطيسية بشكل فعال باستخدام حلقات موصلة من الأسلاك مرتبة مثل النابض. قال Kudisch مع تفكيرهم في سلوك الملفات اللولبية ، كانوا قادرين على تبرير أن حساسية المجال المغناطيسي المتزايدة التي كانوا يراقبونها في مجاميع phthalocyanine يمكن أن تعتمد على الترتيب النسبي لحلقات phthalocyanine  في المجموع.

 

"لم يضيف هذا فقط تأكيدًا إضافيًا إلى دعمنا الحسابي ، ولكنه أعطى أيضًا مصداقية لفكرة تيارات الحلقة العطرية المقترنة - فالتيارات الحلقية لكرومات الفثولوسيانين المجاورة في المجموع لها هندسة تعتمد على تضخيم حساسية المجال المغناطيسي ،" قال كوديش. "تماما مثل الملف اللولبي."

 

بدأ المشروع البحثي ، الذي بدأ قبل ثلاث سنوات ، الجمع بين التجارب باستخدام مجال مغناطيسي عالي وقدرات التحليل الطيفي فائق السرعة. تم تنفيذ جزء منه باستخدام مغناطيس سبليت-فلوريدا هيليكس في المرفق الوطني للمجال المغناطيسي العالي في تالاهاسي ، فلوريدا ، والذي يضم أقوى مغناطيس في العالم من أجل مطيافية الرنين المغناطيسي النووي. يمكن أن يصل هذا المغناطيس الفريد من نوعه إلى قوة المجال المغناطيسي التي تصل إلى 25 طنًا وتقاومها بأسلوب مقاوم تمامًا - وفي حد ذاته على الأرجح أقوى ملف لولبي على هذا الكوكب. عند التشغيل ، يستخدم المغناطيس 2٪ من الطاقة في المدينة.

 

أشار سكولز إلى أن ورقة PNAS تمثل المنشور الثاني لمجموعته من العمل باستخدام مغناطيس فلوريدا الحلزوني المقسم ، وهو تعاون بدأ منذ أكثر من ثماني سنوات عندما تم تصميم المغناطيس. كان دور مجموعته هو اقتراح وتصميم نظام الليزر فائق السرعة الذي يتصل بالمغناطيس.

 

"من السهل نسبيًا الحصول على مثل هذه المجالات المغناطيسية العالية على مغناطيس رنين مغناطيسي ، لكن تجاربنا تتطلب منك الحصول على الضوء وإلقاء الضوء عليه في العينة ثم إخراج هذا الضوء بطريقة أو بأخرى. ولهذا ، كنا بحاجة إلى المختبر في تالاهاسي. "مجموعة من شبه المستحيلات معا" ، قال كوديش.

 

وقال كوديش إن الحصول على ركام فثالوسيانين في شكل جزيئات نانوية عضوية لتجاربهم كان "أبسط جزء" ، بسبب التعاون السابق مع قسم الهندسة الكيميائية والبيولوجية في برينستون. ومن بين المتعاونين الآخرين في الورقة ميلان بوليتكنيك وجامعة قرطبة الوطنية.

 

وقال بشكل عام إن الأجواء "الانتقائية" للتحقيقات في مختبر سكولز ساهمت في نجاح المشروع.

 

وقال كوديش "السياق هو أن هذا المختبر يفكر في بعض المشكلات الأكثر إلحاحًا في الكيمياء الفيزيائية التي لم يفكر فيها أحد ويكتشف ما إذا كانت الأفكار التي توصلنا إليها قابلة للاختبار". "عندما تنغمس حقًا في ذلك ، فإن ما يهمنا هو مدى عمق حفرة التحليل الطيفي التي يمكن أن نذهب إليها ، وما يمكن أن يسمح لنا بالتعلم في مجموعة متنوعة من المجالات المختلفة."

 

 

 

المصادر

 

• Materials provided by Princeton University. Original written by Wendy Plump. Note: Content may be edited for style and length.
• Bryan Kudisch, Margherita Maiuri, Luca Moretti, Maria B. Oviedo, Leon Wang, Robert K. Prud’homme, Bryan M. Wong, Stephen A. McGill, and Gregory D. Scholes. Ring Currents Modulate Optoelectronic Properties of Aromatic Chromophores at 25 Tesla. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020

 

اعداد:

علي ثاير النعيمي

Instagram

Facebook