Metallo comune, potenza insolita
Un nuovo complesso di manganese(I) batte il record di durata degli stati eccitati, aprendo la strada a future applicazioni su larga scala della fotochimica
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Le reazioni sono tipicamente guidate dal calore. Negli ultimi anni, tuttavia, la luce si è affermata anche come fonte di energia, in quanto consente di controllare le reazioni chimiche con una precisione eccezionale. Questo processo è noto come fotochimica. Il problema: finora questo tipo di reazione richiedeva rutenio, osmio o iridio, materiali rari e costosi, oltre che dannosi per l'ambiente quando vengono estratti. Un gruppo di ricerca dell'Università Johannes Gutenberg di Mainz (JGU) ha sviluppato un nuovo complesso metallico basato sul manganese, abbondante e poco costoso. "Questo complesso metallico stabilisce un nuovo standard nella fotochimica: combina una durata di vita allo stato eccitato da record con una sintesi semplice", ha dichiarato la professoressa Katja Heinze del Dipartimento di Chimica della JGU. "Offre quindi un'alternativa potente e sostenibile ai complessi di metalli nobili che hanno a lungo dominato la chimica guidata dalla luce". I risultati sono stati pubblicati di recente su Nature Communications.
La figura mostra la struttura molecolare del complesso di manganese (al centro), una cuvetta contenente una soluzione del complesso di manganese viola (in alto a sinistra), lo spettro di assorbimento del complesso (viola) e lo spettro di luminescenza del complesso (verde).
Katja Heinze
Sintesi in un unico passaggio e forte assorbimento
Il manganese è oltre 100.000 volte più abbondante sulla Terra del metallo nobile rutenio, ma la sua applicazione in fotochimica è stata finora fortemente limitata: in primo luogo, dalla tediosa sintesi in più fasi, che spesso richiede nove o dieci passaggi, e, in secondo luogo, dalla breve durata dello stato eccitato. "Il nuovo complesso di manganese supera entrambe le sfide", ha spiegato il dottor Nathan East, ex dottorando del gruppo di Heinze che ha effettuato la sintesi originale. Il nuovo materiale è sintetizzato direttamente da materiali di partenza disponibili in commercio, in un'unica fase di sintesi.
Oltre al manganese, i ricercatori utilizzano un ligando, che consente di regolare le proprietà del complesso. "La combinazione di un sale di manganese incolore e del ligando incolore in soluzione produce immediatamente un colore viola intenso, proprio come l'inchiostro. Si tratta di un colore molto insolito per un complesso di manganese, che ci ha fatto capire che stava accadendo qualcosa di unico", ha aggiunto Sandra Kronenberger, che ha studiato ulteriormente questo nuovo complesso di manganese come dottoranda del gruppo di Heinze presso il Max Planck Graduate Center (MPGC).
Il complesso di manganese risultante non solo ha un aspetto impressionante, ma presenta anche proprietà notevoli: "L'assorbimento della luce è eccezionalmente forte, il che significa che la probabilità di catturare una particella luminosa è molto alta: il complesso utilizza quindi la luce in modo molto efficiente", ha spiegato il dottor Christoph Förster, che ha sostenuto il progetto con calcoli di chimica quantistica.
La durata dello stato eccitato supera i 190 nanosecondi
"Anche la durata di vita del complesso, pari a 190 nanosecondi, è notevole. Si tratta di una durata di due ordini di grandezza superiore a quella di qualsiasi complesso precedentemente conosciuto contenente metalli comuni come il ferro o il manganese", ha dichiarato lo scienziato capo e spettroscopista Robert Naumann, che ha caratterizzato la dinamica dello stato eccitato del complesso utilizzando la spettroscopia di luminescenza. Nella fotochimica, il catalizzatore, in questo caso il complesso di manganese, viene eccitato dalla luce. Quando incontra un'altra molecola per diffusione, le trasferisce un elettrone. Poiché le particelle possono impiegare nanosecondi per ritrovarsi, lo stato eccitato deve durare il più a lungo possibile.
Ma il complesso fa davvero quello che i ricercatori sperano, cioè trasferire un elettrone a un'altra molecola? "Siamo riusciti a rilevare il prodotto iniziale della fotoreazione - il trasferimento di elettroni che si è verificato - e quindi a dimostrare che il complesso reagisce come desiderato", ha riassunto la professoressa Katja Heinze.
Questa scoperta amplia i confini della fotochimica sostenibile. Grazie alla sintesi scalabile in un solo passaggio, all'efficiente assorbimento della luce, al robusto comportamento fotofisico e allo stato eccitato di lunga durata, il nuovo materiale contenente manganese apre la strada a future applicazioni su larga scala delle fotoreazioni. Questo potrebbe essere importante per applicazioni future, ad esempio per la produzione sostenibile di idrogeno.
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