Using Low Energy Light to Enable High Energy Photochemistry
Doctoral thesis, 2024
Manipulating light to meet human needs is pivotal in various research fields and technological applications, ranging from solar energy conversion to photodynamic therapy and fluorescence imaging of cells and tissues. This thesis addresses the spectral mismatches between available light and the specific energy requirements of target photochemical reactions by employing low-energy light to control high-energy photochemistry. Central to this endeavor are molecular photoswitches, represented by diarylethene and spiropyran derivatives, which serve as model compounds across all discussed papers.
The experimental research presented herein explores three distinct methodologies: rapid fluorescence modulation, triplet sensitization, and triplet-triplet annihilation photon upconversion. Notably, the rapid modulation of fluorescence using a water-soluble diarylethene derivative enables the differentiation of fluorescence from a bright background, opening up for contrast-enhanced fluorescence imaging in cellular environments. Additionally, the realization of all-visible-light switching of diarylethenes through nanocrystal/molecular hybrid triplet sensitizers enhances the fatigue resistance of the diarylethene molecules.
Furthermore, the investigation into triplet-triplet annihilation photon upconversion reveals promising avenues for single-wavelength control of diarylethenes and water-compatible photochemistry, demonstrated by the isomerization and deprotonation of a spiropyran photoacid. While triplet sensitization relies on close molecular contact between light-manipulating species and photoreactants, photon upconversion allows for physical separation due to photons serving as energy carriers.
Building upon these advancements, further optimization and mechanistic understanding are necessary for these methods to realize their full potential. Nevertheless, the findings presented in this thesis bring us closer to achieving visible-light control of high-energy photochemical transformations, offering significant implications for both fundamental research and practical applications.
The experimental research presented herein explores three distinct methodologies: rapid fluorescence modulation, triplet sensitization, and triplet-triplet annihilation photon upconversion. Notably, the rapid modulation of fluorescence using a water-soluble diarylethene derivative enables the differentiation of fluorescence from a bright background, opening up for contrast-enhanced fluorescence imaging in cellular environments. Additionally, the realization of all-visible-light switching of diarylethenes through nanocrystal/molecular hybrid triplet sensitizers enhances the fatigue resistance of the diarylethene molecules.
Furthermore, the investigation into triplet-triplet annihilation photon upconversion reveals promising avenues for single-wavelength control of diarylethenes and water-compatible photochemistry, demonstrated by the isomerization and deprotonation of a spiropyran photoacid. While triplet sensitization relies on close molecular contact between light-manipulating species and photoreactants, photon upconversion allows for physical separation due to photons serving as energy carriers.
Building upon these advancements, further optimization and mechanistic understanding are necessary for these methods to realize their full potential. Nevertheless, the findings presented in this thesis bring us closer to achieving visible-light control of high-energy photochemical transformations, offering significant implications for both fundamental research and practical applications.
triplet-triplet annihilation
solar energy conversion
photochemistry
molecular photoswitches
photochemical upconversion
triplet sensitization
fluorescence modulation
KE, Kemgården 4, Chalmers
Opponent: Prof. Neil Branda, Department of Chemistry, Simon Fraser University, Canada.
Author
Wera Larsson
Chalmers, Chemistry and Chemical Engineering, Chemistry and Biochemistry
Rapid amplitude-modulation of a diarylethene photoswitch: en route to contrast-enhanced fluorescence imaging
Chemical Science,;Vol. 12(2021)p. 7073-7078
Journal article
A general approach for all-visible-light switching of diarylethenes through triplet sensitization using semiconducting nanocrystals
Journal of Materials Chemistry C,;Vol. 10(2022)p. 15833-15842
Journal article
Diarylethene Isomerization by Using Triplet–Triplet Annihilation Photon Upconversion
Chemistry - A European Journal,;Vol. 29(2023)
Journal article
Larsson, W, Eriksson, V, Edhborg, F, Björkman, W, Johnsson, J, Rouillon, J, Andersson Trojer, M, Andréasson, J, Evenäs, L, Albinsson, B. Triplet-Triplet Annihilation Photon Upconversion in Microcapsules: Driving Photochemistry Using Upconverted Photons in Water.
Utan ljus skulle vi människor varken ha en beboelig planet, mat att äta, eller kunna se världen omkring oss. De kemiska reaktioner som till exempel omvandlar energi i fotosyntesen grundar sig i en evolutionär anpassning till det tillgängliga ljuset. I takt med att forskning och den teknologiska utvecklingen går framåt har det dock uppkommit exempel på när det tillgängliga ljuset inte alltid matchar våra nuvarande behov.
Dagens solceller och produktion av solbränslen kan till exempel bara ta vara på delar av den enorma mängd solenergi som når jordens yta, vilket till stor del beror på att mycket av solljuset har antingen för lite eller för mycket energi för att kunna användas effektivt av de material vi använder idag. För att komma runt detta problem finns det olika sätt att manipulera solens ljus så att det bättre passar våra behov.
I den här doktorsavhandlingen presenteras några olika exempel på hur ljus med för lite energi för att kunna driva en kemisk reaktion ändå kan göra just detta. I ett av forskningsprojekten kan vi driva en reaktion fram och tillbaka väldigt snabbt, vilket är en egenskap som kan användas för att öka kontrasten vid mikroskopering av celler. I de andra tre projekten omvandlas det ursprungliga ljuset med lågt energiinnehåll på kemisk väg så att tillräckligt med energi kan överföras till den kemiska reaktionen. Detta görs bland annat genom en process som kallas för uppkonvertering av ljus, där ljus med lägre energi kan omvandlas till ljus med högre energi.
Dagens solceller och produktion av solbränslen kan till exempel bara ta vara på delar av den enorma mängd solenergi som når jordens yta, vilket till stor del beror på att mycket av solljuset har antingen för lite eller för mycket energi för att kunna användas effektivt av de material vi använder idag. För att komma runt detta problem finns det olika sätt att manipulera solens ljus så att det bättre passar våra behov.
I den här doktorsavhandlingen presenteras några olika exempel på hur ljus med för lite energi för att kunna driva en kemisk reaktion ändå kan göra just detta. I ett av forskningsprojekten kan vi driva en reaktion fram och tillbaka väldigt snabbt, vilket är en egenskap som kan användas för att öka kontrasten vid mikroskopering av celler. I de andra tre projekten omvandlas det ursprungliga ljuset med lågt energiinnehåll på kemisk väg så att tillräckligt med energi kan överföras till den kemiska reaktionen. Detta görs bland annat genom en process som kallas för uppkonvertering av ljus, där ljus med lägre energi kan omvandlas till ljus med högre energi.
Enabling High Energy Photochemistry through Photon Upconversion
Swedish Research Council (VR) (2022-03028), 2023-01-01 -- 2026-12-31.
Driving Forces
Sustainable development
Subject Categories
Physical Chemistry
Theoretical Chemistry
Roots
Basic sciences
Infrastructure
Chalmers Materials Analysis Laboratory
ISBN
978-91-8103-034-1
Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5492
Publisher
Chalmers
KE, Kemgården 4, Chalmers
Opponent: Prof. Neil Branda, Department of Chemistry, Simon Fraser University, Canada.