Concepts of nanoscale electrochemistry: understanding the electron transfer in biological systems

Abstract

A busca pela compreensão da dinâmica dos elétrons dentro da matéria tem cativado a investigação científica desde as origens da ciência. Ao longo do tempo, várias teorias e modelos — que vão desde a descoberta do elétron por Thomson até as teorias de transferência de elétrons de Marcus-Gerischer —contribuíram significativamente para nossa compreensão atual da eletrodinâmica e impulsionaram o desenvolvimento de aplicações eletrônicas críticas na sociedade moderna. No entanto, este capítulo da ciência permanece em aberto, com muitas questões sem resposta em torno dos princípios físicos que regem a dinâmica dos elétrons entre estados de energia quantizados dentro de nanomateriais. Por exemplo, o avanço de dispositivos optoeletrônicos baseados nas propriedades quânticas de estruturas em escala nanométrica é restringido por uma compreensão incompleta dos fenômenos de transferência e transporte de elétrons, uma vez que esses processos seguem os princípios da eletrodinâmica quântica em vez das leis da física clássica. O controle das propriedades elétricas e eletrônicas na escala nanométrica continua a ser um desafio considerável. Portanto, modelos fundamentados nas leis da mecânica quântica, juntamente com abordagens experimentais versáteis e acessíveis, são essenciais para avançar nossa compreensão da dinâmica dos elétrons nessa escala. Neste contexto, a presente pesquisa de doutorado investiga a eletrodinâmica de estruturas semicondutoras orgânicas e inorgânicas com diferentes tipos de confinamento quântico, incluindo nanofilmes de óxido de cobre, arranjos de pontos quânticos de telureto de cádmio, grafeno monocamada e arranjos de moléculas heterocíclicas do tipo push-pull, sob a perspectiva da Teoria da velocidade Quântica. Esta teoria, derivada dos princípios da eletrodinâmica quântica, é baseada no conceito eletrodinâmico de velocidade quântica v = e2/hCq , que se funda na propriedade de capacitância quântica Cq — uma característica associada à estrutura eletrônica que pode ser medida experimentalmente utilizando metodologias eletroquímicas dependentes do tempo. Através de medições de espectroscopia de impedância eletroquímica em um meio eletrolítico, interpretadas sob a perspectiva desse marco teórico, tornou-se possível medir diretamente a densidade de estados eletrônicos à temperatura ambiente de estrutura á nano-escala, e elucidar as regras quânticas que governam a eletrodinâmica nessas estruturas. Este estudo abriu novas avenidas para a pesquisa científica em um campo emergente conhecido como Eletrônica em Escala Nanométrica em Meios Eletrolíticos

The quest to understand electron dynamics within matter has captivated scientific inquiry since the origins of science. Over time, various theories and models—ranging from Thomson’s discovery of the electron to the Marcus-Gerischer electron transfer theories—have significantly contributed to our current understanding of electrodynamics and have driven the development of critical electronic applications in modern society. Nevertheless, this chapter of science remains open, with many unanswered questions surrounding the physical principles that govern electron dynamics between quantized energy states within nanomaterials. For example, the advancement of optoelectronic devices based on the quantum properties of nanoscale structures is constrained by an incomplete understanding of electron transfer and transport phenomena, as these processes follow quantum electrodynamic principles rather than the laws of classical physics. Controlling electrical and electron properties at the nanoscale remains a considerable challenge. Therefore, models grounded in quantum mechanics laws, alongside versatile and accessible experimental approaches, are essential for advancing our understanding of electron dynamics at this scale. In this context, the present PhD research explores the electrodynamics of organic and inorganic semiconductor structures with varying types of quantum confinement, including copper oxide nanofilms, one assembly of cadmium tellurium quantum, single layer graphene and one assembly of push-pull heterocyclic molecules, from the perspective of Quantum Rate Theory. This theory, derived from quantum electrodynamics principles, is based on the electrodynamic concept of quantum rate ν = e 2/hCq, which is founded on the quantum capacitance property Cq—a feature associated with the electronic structure that can be experimentally measured using time-dependent electrochemical methodologies. Through electrochemical impedance spectroscopy measurements in an electrolytic medium, interpreted from the perspective of this theoretical framework, it became possible to directly measure the electron density of states of nanoscale structures at room temperature and to elucidate the quantum rules governing electrodynamics in these structures. This study opened new avenues for scientific research in an emerging field known as Nanoscale Electronics in Electrolytic Media.