SLAC的實驗表明，廉價的光敏劑分子鐵卡賓在受到光照射時可以以兩種競爭方式做出反應。這些路徑中只有一個（右）允許電子流入需要的設備或化學反應中。分子大約有60％的時間採用這種產生能量的路徑。圖片：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
光敏劑是吸收陽光並傳遞能量以產生電能或驅動化學反應的分子。它們通常以稀有、昂貴的金屬為基礎。因此，發現以再普通不過的鐵為核心的鐵卡賓（iron carbene，鐵碳烯）也可以做到這一點，這引發了過去幾年的研究熱潮。但是，儘管發現了效率更高的鐵卡賓，科學家需要準確地瞭解這些分子在原子級上的工作方式，以使其達到最佳性能。
最簡單的卡賓：H2C，亞甲基卡賓
卡賓 (carbene)，又稱碳烯，一般以R2C：表示，指是由一個碳和其他兩個基團以共價鍵結合形成的，碳上還有兩個自由電子。
現在，研究人員已經在美國能源部的斯坦福脈衝研究中心（SLAC）國家加速器實驗室使用X射線激光觀察光撞擊鐵卡賓時會發生什麼。他們發現鐵卡賓可以通過兩種競爭方式做出響應，只有一種方式可以使電子流入所需的設備或反應中。在這種情況下，分子大約在60％的時間內採用了產生能量的路徑。該小組於1月31日在《自然通訊》上發表了他們的研究結果。
實驗示意圖
在太陽能電池中，鐵卡賓附著在電池表面的半導體膜上，並且通過鐵原子粘附。陽光擊中鐵原子並釋放出電子，這些電子流入卡賓（carbene）。如果電子在卡賓上停留的時間足夠長（十億分之一秒或更多），則它們可以進入太陽能電池並提高其效率。在化學中，能量推動光敏劑幫助推動化學反應，但對於卡賓上的電子，需要更長的停留時間。
為了確定它是如何工作的，由SLAC的研究人員領導的國際團隊使用實驗室直線加速器相干光源（LCLS）的X射線激光脈衝測試了鐵卡賓的樣品。他們同時測量了兩個獨立的信號，這些信號揭示了分子的原子核如何運動以及電子如何進入和流出鐵碳鍵。
結果表明，在60%的時間裡電子在卡賓中足以完成有用的工作。剩下的時間他們太早回到鐵原子上，什麼也沒做。
PULSE的凱利·加夫尼（Kelly Gaffney）表示，這項研究的長期目標是使接近100％的電子更長久地停留在卡賓上，因此光能可用來驅動化學反應。為此，科學家需要找到定製鐵卡賓分子的設計原理，以便以最大的效率執行特定的工作。
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關鍵字: 2019未來科學大獎 廉價 化學
