Группа ученых из США, Швеции и Дании использовала рентгеновский лазер, чтобы наблюдать процессы, происходящие в карбене железа — перспективном фотосенсибилизаторе — при попадании на него солнечного света. Статья об открытии опубликована в журнале Nature Communications.

Фотосенсибилизаторы — это молекулы, которые поглощают солнечный свет и передают его энергию для создания электрического тока или запуска химических реакций. Их основу, как правило, составляют редкие, дорогие металлы. Открытие этого класса соединений на основе довольно дешевого железа в последнее время вызвало бурный интерес в научном сообществе. Но чтобы создавать более эффективные фотосенсибилизирующие карбены железа, ученые должны точно понять, какие процессы происходят в этих материалах на атомном уровне.

В солнечном элементе карбен железа присоединяется к полупроводниковой пленке на поверхности элемента. Свет попадает на атом железа и «выбивает» из него электроны, которые перетекают в прикрепленные к нему карбеновые группы. Если электроны остаются на этих концах достаточно долго — около десяти триллионных долей секунды или более — они могут затем переместиться в солнечную батарею и повысить ее эффективность. Кроме того, такие материалы могут быть полезны в качестве катализаторов некоторых реакций в химической промышленности, но для этого необходимо еще сильнее повысить время пребывания электронов в карбеновых группах.

Чтобы выяснить, как увеличить эффективность этих соединений, группа ученых исследовала образцы одного из карбенов железа с помощью рентгеновских лазерных импульсов из когерентного источника света LCLS. Авторы одновременно измерили два отдельных сигнала, которые показывают движение атомных ядер и электронов в молекуле.

Результаты показали, что всего 60% электронов хранились в карбеновых группах необходимое количество времени. Остальные возвращались к атому железа слишком рано. Используя такой метод анализа, ученые теперь намерены разработать соединения этого класса, 100% электронов которых могут оставаться в нужных концевых группах достаточно долго, чтобы использовать их в качестве эффективных веществ для солнечной энергетики и катализа.