بهره‌گیری از نقاط کوانتومی برای تامین انرژی واکنش‌های شیمی آلی!

به گزارش مجله خبری نگار/برنا،گروهی از محققان دانشگاه علوم و فناوری هنگ‌کنگ موفق به طراحی یک سامانه فوتوکاتالیستی نوین با مصرف انرژی نوری ناچیز شده‌اند که می‌تواند مسیر تازه‌ای را در سنتز‌های شیمی آلی بگشاید. این دستاورد نویدبخش انقلابی در استفاده از نقاط کوانتومی به عنوان کاتالیزور‌های نوری است.

به گزارش phys.org نقاط کوانتومی به عنوان کاتالیزور‌های نوری، سال‌هاست که در مرکز توجه جامعه علمی برای انجام واکنش‌های اکسایش‌ـ‌کاهش نوری قرار دارند، اما پیچیدگی‌های فیزیک نوری آنها باعث شده بود تا کاربردشان در سنتز آلی از رقبای مولکولی‌شان عقب بماند.

در سال‌های اخیر تلاش‌های بسیاری برای استفاده از الکترون‌های داغ حاصل از تحریک این نقاط در شرایط ملایم صورت گرفت، اما دستیابی به بازدهی بالا همچنان دشوار باقی مانده بود.

در این مطالعه گروهی به رهبری لو های‌پنگ از گروه شیمی دانشگاه علوم و فناوری هنگ‌کنگ، با طراحی یک سامانه نوین متشکل از نقاط کوانتومی حاوی یون‌های دوظرفیتی منگنز (Mn²⁺) در ساختار CdS/ZnS موفق به ایجاد مکانیزمی کارآمد برای تولید الکترون‌های داغ شدند. این مکانیزم بر پایه فرآیند «آگر با تبادل اسپین دو فوتونی» (Two-photon Spin-Exchange Auger Process) عمل می‌کند و امکان بهره‌گیری از نور مرئی را برای پیشبرد واکنش‌ها فراهم می‌سازد.

به گفته محققان الکترون‌های داغ حاصل از این سامانه، قابلیت انجام واکنش‌های پیچیده‌ای، چون کاهش بیرچ (Birch Reduction) و شکستن انتخابی پیوند‌های شیمیایی نظیر C-Cl، C-Br، C-I، C-O، C-C و N-S را دارند؛ آن هم در شرایطی که پتانسیل کاهش مواد اولیه به منفی ۳٫۴ ولت (نسبت به SCE) نیز برسد.

نکته چشمگیر آن‌که تمامی این واکنش‌ها تنها با یک درصد انرژی نوری سامانه‌های رایج انجام می‌گیرند، که نتیجه به‌کارگیری راهبرد تحریک دو فوتونی در طراحی کاتالیزور است. چنین راندمانی این فناوری را به یکی از قدرتمندترین روش‌های شناخته‌شده برای پیشبرد واکنش‌های ردوکس تبدیل می‌کند.

از دیگر ویژگی‌های ممتاز این سامانه، امکان خاموش و روشن کردن تولید الکترون‌های داغ تنها با تنظیم شدت نور تابشی است. این توانمندی طراحی واکنش‌های چندمرحله‌ای پیوسته با قابلیت برنامه‌ریزی را ممکن می‌سازد؛ امری که در سامانه‌های مولکولی سنتی عملاً غیرممکن بود.

لو درباره اهمیت این کشف می‌گوید: این پژوهش قابلیت‌های بی‌سابقه نیم‌رسانا‌های کوانتومی را در پیشبرد واکنش‌های شیمیایی دشوار نشان می‌دهد؛ واکنش‌هایی که با فوتوکاتالیست‌های مولکولی مرسوم قابل انجام نبودند.

این دستاورد نه تنها گامی بلند در مسیر کاهش مصرف انرژی در فرآیند‌های شیمیایی است، بلکه می‌تواند افق‌های تازه‌ای را برای سنتز سبز، طراحی واکنش‌های پایدار، و توسعه دارو‌های پیچیده بگشاید. این پژوهش نوآورانه در نشریه علمی Nature Communications منتشر شده است.