Vědci z Ústavu organické chemie a biochemie české Akademie věd jako první popsali příčiny chování jedné ze základních aromatických molekul, která vědecký svět fascinuje nejen svou modrou barvou, ale i dalšími neobvyklými vlastnostmi – azulenu. Jejich výzkum, publikovaný v časopise Journal of the American Chemical Society (JACS), ukazuje, jak molekula může udržet zachycenou solární energii.

Když je azulen spokojený...

Tým organického chemika Tomáše Slaniny zjistil, proč drobná molekula azulenu porušuje takřka univerzální Kashovo pravidlo, píše se na webu Akademie věd.

Kashovo pravidlo vysvětluje, jak molekuly vyzařují světlo poté, co se dostanou do různých excitovaných (vybuzených) stavů s určitou energetickou hladinou. Pokud použijeme přirovnání ke stoupajícímu schodišti, pak první schod, tedy první excitovaný stav molekuly, je vysoký a každý následující schod je nižší, a tedy i blíž tomu předchozímu.

Čím je vzdálenost mezi schody menší, tím rychleji má molekula tendenci ze schodu spadnout do nižších pater. Na prvním schodu pak čeká nejdéle, než se vrátí na základní úroveň, přičemž může vyzářit světlo. Azulen se ovšem chová jinak.

Aby vysvětlili chování azulenu, použili vědci test aromaticity. Jednoduše řečeno, aromatická látka se nevyznačuje vůní, ale tím, že je stabilní nebo chcete-li spokojená. Někteří chemici pro její neformální označení dokonce používají familiární emotikon usmívající se tváře.

Antiaromatická látka je naopak nestabilní a molekula se z tohoto stavu snaží co nejrychleji uniknout, opouští vyšší patra a padá dolů. Azulen je na prvním schodu nespokojený, tedy antiaromatický, a proto v řádu pikosekund padá dolů bez toho, aby stihnul vyzářit světlo. Na druhém schodu se ale chová jako spokojená aromatická látka.

A to je podstatné! V tomto excitovaném stavu zůstává i celou nanosekundu, což je dost dlouhá doba na to, aby vyzářil světlo. Energie tohoto excitovaného stavu se nikam neztrácí a mění se zcela ve vysoce energetický foton.

Molekuly, které jsou k energii ‚šetrné‘

Slaninův tým svým výzkumem odpovídá na potřeby současné energetiky, která hledá způsob, jak zajistit, aby se energie z fotonů (zejména ze Slunce), kterou molekula zachytí, neztrácela a aby ji bylo možné dál využít. Třeba k přenosu energie mezi molekulami. Cílem je vytvářet molekuly, které se světelnou energií nakládají co nejúčinněji, s co nejmenšími ztrátami.

Ve studii zveřejněné v JACS výzkumníci na mnoha případech ukazují, že vlastnost azulenu je přenositelná. Stačí jeho strukturu „přilepit“ k jakékoliv aromatické molekule a ta díky tomu dostane klíčové vlastnosti azulenu.

Tomáš Slanina o tom říká: „Mám rád teorie, které jsou tak jednoduché, že si je člověk může jednoduše představit, zapamatovat a pak používat. A přesně tohle se nám podařilo. Odpověděli jsme na otázku, proč se molekuly chovají určitým způsobem, a to na základě velmi jednoduchého konceptu.“

Badatelé využili ve výzkumu několik unikátních programů, které dokážou spočítat, jak se chovají elektrony v molekule ve zmíněných vyšších excitovaných stavech. O těchto stavech se obecně ví jen málo a studie je tedy průlomová.

Studie v JACS navíc není jen výpočetní, ale taky experimentální. Výzkumníci ze skupiny Tomáše Slaniny doprovodili data experimentem, který správnost vypočítaných údajů přesně potvrdil, upozorňuje web Akademie věd.