电子向前迈出一步 没有两步

加州大学河滨分校的研究人员首次成功地使用电偶极子来完全抑制一个方向的电子转移，同时加速另一个方向的电子转移。这一发现有助于开发改进的太阳能电池和其他能量转换装置，并加速设计新的精湛的能源和电子材料。

说生命取决于严格管制的电子转移并不是一件容易的事。

电子转移是维持生命和能量转换的最基本过程之一。它发生在电子从一个原子或分子移动到另一个原子或分子时，带来电能。光合作用，线粒体和细胞呼吸以及固氮是电子有序运动所产生的许多生物过程之一。

由于电子转移无处不在且重要，科学家们已经投入了大量精力来理解这一过程，并利用他们学到的东西来制造太阳能电池，燃料电池，电池和许多其他依赖于有效电子转移的器件。

但是，通过进化的精心设计的生物中精致的电子芭蕾舞更像是在应用于人类创造的技术时潜入侏儒坑的阶段。

科学家可以在一定程度上控制电子转移，但难以将所有亚原子粒子放入单一方向。当它们向前引导电子时，不可避免地会有一些向后移动，导致能量损失。

Bourns工程学院生物工程学教授Valentine Vullev领导了来自加州河滨，波兰，捷克共和国和日本的国际研究团队，他们使用分子偶极子来利用电子转移。当分子中的一个原子具有更可能吸引具有负电荷的电子的成分时，发生分子偶极子。分子偶极子无处不在，并且具有强大的纳米级电场，可以引导所需的电子转移过程并抑制不需要的电子转移过程。

当电偶极子在它们周围产生巨大的场时，电场的强度随着距离的增加而快速减小。因此，必须使偶极子尽可能接近电子转移分子。

Vullev集团将偶极子纳入电子供体分子，5-N-酰胺基 - 邻氨基苯甲酰胺驻极体，一种具有半永久电荷和偶极极化的物质，类似于磁铁。研究人员将驻极体暴露于不同的溶剂中以触发电子转移。使用低极性溶剂，它们大大增强了偶极子的效果，并在一个方向上引导所有电子。

这是科学家第一次证明偶极子加速了一个方向的电子转移，并在另一个方向上完全抑制了它。

“这一发现为引导前向电子转移过程打开了大门，同时抑制了不需要的后向电子转换，这是光物理学和能源科学的圣杯之一，”Vullev说。

关键在于降低溶剂的极性以增强偶极子效应而不会同时阻止电子转移之间的微妙平衡。定制设计的具有正确电子特性的分子组件有助于优化这种平衡。

“虽然看起来我们正在解决一个重要的物理化学和物理问题，但我们工作的结果可能会产生广泛的跨学科影响，并证明对于相关领域很重要，如分子生物学，细胞生理学，能源科学和工程学，” Vullev。“在分子水平上更好地理解电子转移将提高我们对生命系统的理解，并成为高效能源技术的基础。”