Pesquisadores da Universidade da Califórnia, Riverside, tenho, pela primeira vez, usou com sucesso dipolos elétricos para suprimir completamente a transferência de elétrons em uma direção enquanto acelera na outra. A descoberta pode ajudar no desenvolvimento de células solares aprimoradas e outros dispositivos de conversão de energia e acelerar o design de novos e excelentes materiais eletrônicos e de energia.

Não é exagero dizer que a vida depende da transferência de elétrons estritamente regulada.

A transferência de elétrons está entre os processos mais fundamentais para sustentar a vida e para a conversão de energia. Ocorre quando um elétron se move de um átomo ou molécula para outro, trazendo sua energia elétrica com ele. Fotossíntese, respiração mitocondrial e celular, e a fixação de nitrogênio está entre os muitos processos biológicos possibilitados pelo movimento ordenado dos elétrons.

Como a transferência de elétrons é onipresente e importante, cientistas têm investido enormes esforços para compreender o processo, e usaram o que aprenderam para criar células solares, células de combustível, baterias e muitos outros dispositivos que também dependem de transferência de elétrons eficiente.

Mas o delicado balé de elétrons em seres vivos coreografados por eras de evolução é mais como mergulhar em um palco de mosh quando aplicado a tecnologias criadas por humanos.

Os cientistas podem controlar a transferência de elétrons até certo ponto, mas têm dificuldade em agrupar todas as partículas subatômicas em uma única direção. Quando eles direcionam os elétrons para a frente, inevitavelmente, alguns se movem para trás também, causando uma perda de energia.

Valentine Vullev, professor de bioengenharia na Bourns College of Engineering, liderou uma equipe internacional de pesquisadores da UC Riverside, Polônia, a república Tcheca, e o Japão, que usaram dipolos moleculares para aproveitar a transferência de elétrons. Os dipolos moleculares ocorrem quando um dos átomos de uma molécula tem uma composição que tem maior probabilidade de atrair elétrons, que têm uma carga elétrica negativa. Os dipolos moleculares estão em toda parte e têm poderosos, campos elétricos em nanoescala que podem guiar os processos de transferência de elétrons desejados e suprimir os indesejados.

Enquanto os dipolos elétricos geram campos enormes ao seu redor, a intensidade dos campos elétricos diminui rapidamente com a distância. Portanto, é essencial colocar o dipolo o mais próximo possível das moléculas de transferência de elétrons.

O grupo de Vullev incorporou o dipolo na molécula doadora de elétrons, Eletreto de 5-N-amido-antranilamida, uma substância com carga elétrica semipermanente e polarização dipolo, semelhante a um ímã. Os pesquisadores expuseram o eletreto a diferentes solventes para acionar a transferência de elétrons. Com solventes de baixa polaridade, eles aumentaram consideravelmente o efeito dos dipolos e guiaram todos os elétrons em apenas uma direção.

Esta é a primeira vez que os cientistas mostram que o dipolo acelera a transferência de elétrons em uma direção e a suprime completamente na outra.

"Esta descoberta abre portas para orientar os processos de transferência de elétrons, enquanto suprime a transdução de elétron reversa indesejada, que é um dos santos graais da fotofísica e da ciência da energia, "Vullev disse.

A chave estava em encontrar um equilíbrio preciso entre reduzir a polaridade do solvente para aumentar o efeito dipolo sem matar a transferência de elétrons por completo. Componentes moleculares personalizados com as propriedades eletrônicas corretas ajudaram a otimizar esse equilíbrio.

"Embora pareça que estamos resolvendo um importante problema físico-químico e físico, as descobertas de nosso trabalho podem ter amplos impactos interdisciplinares, e são importantes para campos pertinentes, como biologia molecular, fisiologia celular, e ciência e engenharia de energia, "disse Vullev." Uma melhor compreensão da transferência de elétrons no nível molecular melhorará nossa compreensão dos sistemas vivos e servirá como base para tecnologias de energia eficientes. "