電子和質子的運動在生物系統和工程材料中經常協同作用。最為人熟知的例子是質子耦合電子轉移（PCET），這個過程在生物能量學、細胞呼吸、光合作用和固氮作用中扮演核心角色。PCET 也影響了許多用於能量轉換和儲存的人工材料的設計。最近，科學家們識別出另一種相關的過程，稱為質子耦合單線態能量轉移（PCEnT）。
基於先前對 PCET 和 PCEnT 的研究，由中國科學院大連化學物理研究所的吳開風教授領導的團隊，進一步研究了一個重要但理解不足的過程：與質子運動相關的三線態能量轉移。
三線態能量轉移是移動自然和合成系統中能量的主要途徑，但其運作方式與單線態能量轉移不同。理解質子運動如何影響這個過程，可能為控制先進材料中的能量流開啟新的途徑。
在一項發表於《自然材料》（Nature Materials）的研究中，研究人員報告了一種先前未知的機制，稱為「質子穿梭輔助三線態能量轉移」（PS-TET）。這個過程是在能量從鋅硒（ZnSe）為基礎的膠體量子點（QDs）轉移到附著在其表面的酚-吡啶雙分子受體時觀察到的。
當 ZnSe 量子點吸收光時，它們會進入激發態。接著，一個電洞從 ZnSe 轉移到酚，同時一個質子從酚轉移到吡啶。
接下來，一個電子從 ZnSe 轉移到苯氧自由基。與此同時，質子從吡啶鎓離子移回其原始位置。這些連結的步驟共同產生了自 ZnSe 量子點到酚-吡啶雙分子的自旋三線態能量的整體移動。
質子最終回到了它開始的地方，但它的暫時移動產生了重大影響。與不含質子穿梭的甲基化類似物相比，這種穿梭極大地提高了三線態能量轉移的速度和效率。
該團隊還發現，在吡啶上添加一個強吸電子基團三氟甲基，可以改變質子耦合電子和電洞轉移步驟發生的順序。
室溫下的量子穿隧
PS-TET 的速率隨溫度變化的幅度很小。這表明質子的移動並非透過傳統的熱驅動過程。相反地，它似乎是透過量子力學穿隧進行移動。
涉及質子振動波函數重疊積分的計算支持了這種解釋。這些積分有助於確定哪些激發態弛豫途徑是受 favor 的，並引導系統朝向有效的三線態能量遷移。
研究結果表明，即使在室溫下，量子效應也可以用於控制複雜材料中的電荷和能量轉移。
在太陽能電池、雷射和催化中的潛在應用
吳教授指出：「PS-TET 機制的發現，對於許多涉及分子三線態激發態的現代分子技術具有深遠的影響。」
提高三線態產生效率可以改善光氧化還原和環境催化。然而，在其他技術中，可能需要限制三線態的形成。有機光電器件，如太陽能電池和雷射，在抑制不想要的激發態時可以表現得更好。
這項研究表明，科學家們或許能夠根據需要調整三線態的形成。創建一個質子穿梭可以增強該過程，而移除穿梭則可以減少或阻止它。
