انقلاب در شیمی آلی با فوتوکاتالیست کوانتومی کم‌مصرف

پژوهشگران دانشگاه علوم و فناوری هنگ‌کنگ با بهره‌گیری نوآورانه از نقاط کوانتومی، موفق به توسعه‌ی یکی از قدرتمندترین سامانه‌های فوتوکاتالیستی دنیا شده‌اند؛ سیستمی که می‌تواند تنها با یک‌صدم انرژی نوری سامانه‌های متداول، واکنش‌های پیچیده شیمی آلی را هدایت کند.

براساس گزارش phys.org، سال‌هاست که نقاط کوانتومی به‌عنوان کاتالیزورهای نوری در مرکز توجه محافل علمی برای واکنش‌های اکسایش و کاهش قرار دارند؛ اما دشواری‌های فیزیک نوری آن‌ها، محدودیت‌هایی در کاربردهای عملی آن‌ها ایجاد کرده بود.

اکنون تیمی به سرپرستی «لو های‌پنگ» موفق شده‌اند با به‌کارگیری ساختار CdS/ZnS همراه با یون‌های دوظرفیتی منگنز (Mn²⁺)، سازوکاری جدید مبتنی بر «فرآیند آگر با تبادل اسپین دو فوتونی» طراحی کنند. این مکانیزم نه‌تنها امکان بهره‌گیری از نور مریی را فراهم کرده، بلکه تولید الکترون‌های داغ را در شرایط ملایم به حداکثر رسانده است.

الکترون‌های داغ تولید شده توسط این سامانه توانایی اجرای واکنش‌هایی نظیر کاهش بیرچ (Birch Reduction) و شکست انتخابی پیوندهای شیمیایی نظیر C-Cl، C-Br، C-I، C-O، C-C و N-S را دارند؛ حتی در پتانسیل‌های کاهش به‌شدت منفی تا ۳.۴ ولت نسبت به SCE.

قابل‌توجه‌ترین نکته در این فناوری، راندمان بالای آن است؛ جایی که تنها با ۱٪ انرژی نور مصرفی معمول، واکنش‌ها به انجام می‌رسند. این موفقیت ناشی از طراحی پیشرفته‌ی تحریک دو فوتونی در این فوتوکاتالیست است که بازدهی فوق‌العاده‌ای به همراه دارد.

ویژگی دیگر این سامانه توانایی کنترل روشن و خاموش شدن تولید الکترون‌های داغ با تنظیم شدت تابش نوری است؛ قابلیتی که راه را برای طراحی واکنش‌های چندمرحله‌ای دقیق و برنامه‌پذیر هموار می‌سازد چیزی که در سامانه‌های مولکولی سنتی ممکن نبود.

به‌گفته‌ی «لو»، این دستاورد نشان می‌دهد نقاط کوانتومی نیم‌رسانا تا چه حد می‌توانند در واکنش‌های دشوار شیمیایی موثر واقع شوند، آن‌هم واکنش‌هایی که حتی فوتوکاتالیست‌های مرسوم قادر به انجام آن‌ها نبودند.

این فناوری جدید می‌تواند افق‌های نوینی در کاهش مصرف انرژی، سنتز سبز، تولید داروهای پیچیده و طراحی پایدار فرآیندهای شیمیایی بگشاید. این مقاله علمی در نشریه معتبر Nature Communications  منتشر شده است.