Long-Range Electron Tunneling

化学 量子隧道 电子 电子转移 超级交换 化学物理 氧化还原 电子传输链 半导体 原子物理学 纳米技术 凝聚态物理 物理 物理化学 离子 量子力学 材料科学 生物化学 有机化学
作者
Jay R. Winkler,Harry B. Gray
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:136 (8): 2930-2939 被引量:267
标识
DOI:10.1021/ja500215j
摘要

Electrons have so little mass that in less than a second they can tunnel through potential energy barriers that are several electron-volts high and several nanometers wide. Electron tunneling is a critical functional element in a broad spectrum of applications, ranging from semiconductor diodes to the photosynthetic and respiratory charge transport chains. Prior to the 1970s, chemists generally believed that reactants had to collide in order to effect a transformation. Experimental demonstrations that electrons can transfer between reactants separated by several nanometers led to a revision of the chemical reaction paradigm. Experimental investigations of electron exchange between redox partners separated by molecular bridges have elucidated many fundamental properties of these reactions, particularly the variation of rate constants with distance. Theoretical work has provided critical insights into the superexchange mechanism of electronic coupling between distant redox centers. Kinetics measurements have shown that electrons can tunnel about 2.5 nm through proteins on biologically relevant time scales. Longer-distance biological charge flow requires multiple electron tunneling steps through chains of redox cofactors. The range of phenomena that depends on long-range electron tunneling continues to expand, providing new challenges for both theory and experiment.
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