Reakcje chemiczne inicjowane światłem można przyspieszyć, zwiększając intensywność ich oświetlenia - wykazały doświadczenia przeprowadzone w Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie. W celu dokładnego zbadania natury zachodzących procesów, w eksperymentach użyto ultrakrótkich impulsów laserowych, nadlatujących parami jeden po drugim. Wzrost szybkości reakcji zachodzącej między poszczególnymi cząsteczkami wyniósł nawet kilkadziesiąt procent.

Swoje obserwacje naukowcy relacjonują na łamach czasopisma naukowego "Physical Chemistry Chemical Physics".

"Nasze eksperymenty dostarczają fundamentalnej wiedzy o procesach fizycznych istotnych dla przebiegu ważnych reakcji indukowanych światłem" - mówi dr hab. Gonzalo Angulo (IChF PAN). Jak twierdzi, uzyskane informacje mogą znaleźć zastosowania zwłaszcza tam, gdzie używa się źródeł światła o dużej intensywności. Jako przykłady podaje m.in. różne techniki obrazowania mikroskopowego, ultraszybką spektroskopię, jak również fotowoltaikę, ze szczególnym uwzględnieniem urządzeń koncentrujących światło, takich jak kolektory słoneczne.

W reakcjach inicjowanych światłem foton o odpowiedniej energii wzbudza cząsteczkę barwnika. Gdy blisko tak wzbudzonej cząsteczki znajdzie się cząsteczka wygaszacza, następuje interakcja: między obu reagentami dochodzi do transferu energii, elektronu lub protonu. Reakcje tego typu są w przyrodzie powszechne. Dobrym przykładem jest przeniesienie elektronu w fotosyntezie, która odgrywa kluczową rolę w formowaniu ziemskiego ekosystemu.

Okazuje się, że czynnikiem mogącym wpłynąć na przyspieszenie reakcji jest natężenie inicjującego je światła. Aby przebadać naturę zachodzących procesów, warszawscy chemicy zamiast tradycyjnego, ciągłego strumienia światła używali impulsów laserowych o czasie trwania rzędu milionowych części miliardowej sekundy. Energię impulsów dobrano tak, by pod ich wpływem cząsteczki barwnika przechodziły do wzbudzonego stanu energetycznego. Impulsy zgrupowano w pary. Odstęp czasowy między impulsami w parze wynosił kilkadziesiąt bilionowych części sekundy i był dopasowany do rodzaju reagujących cząsteczek i warunków środowiska roztworu.

"Teoria i same doświadczenia wymagały uwagi i ostrożności, jednak sama idea fizyczna jest tu dość prosta" - stwierdza doktorantka z IChF PAN, Jadwiga Milkiewicz. - "Żeby doszło do reakcji, w pobliżu wzbudzonej światłem cząsteczki barwnika musi się znaleźć cząsteczka wygaszacza. Jeśli więc mamy parę cząsteczek, które już ze sobą przereagowały, to znaczy, że były one dostatecznie blisko siebie. Zwiększając liczbę fotonów w czasie zwiększamy zatem szansę, że jeśli po reakcji obie cząsteczki zdążyły już wrócić do stanu podstawowego, to absorpcja nowego fotonu przez barwnik ma szansę zainicjować kolejną reakcję nim cząsteczki oddalą się od siebie w przestrzeni".

Przebieg reakcji w roztworach zależy od wielu czynników, takich jak temperatura, ciśnienie, lepkość czy obecność pola elektrycznego bądź magnetycznego. Badania w IChF PAN udowodniły, że czynniki te mają wpływ także na wielkość przyspieszenia reakcji przy zwiększaniu intensywności oświetlenia. O ile w niektórych warunkach przyspieszenie reakcji było niezauważalne, to w optymalnych szybkość reakcji wzrastała nawet o 25-30 proc.

"W dotychczasowych doświadczeniach koncentrowaliśmy się na inicjowanych światłem reakcjach transferu elektronu, czyli takich, w wyniku których zmienia się ładunek elektryczny cząsteczek. Nie widzimy jednak powodów, by zaobserwowany przez nas mechanizm nie mógł funkcjonować także w innych odmianach tych reakcji. Dlatego w najbliższym czasie spróbujemy potwierdzić jego skuteczność w reakcjach z transferem energii oraz z transferem protonu" - zapowiada dr Angulo.

PAP - Nauka w Polsce

kflo/ zan/