為什麼一件T恤衫的顏色會在陽光下隨著時間的推移而褪色？ 為什麼你會被曬傷，為什麼樹葉會在秋天變成褐色？ 這些問題都有一個共同的主題，即染料色素和環境中的氧氣之間的相互作用。 這是每個孩子都在學校學習過的一種化學反應，即我們呼吸的空氣中的氧化過程，那麼還有什麼可以研究的呢？

氧氣是一個令人驚訝的分子，因為它具有磁性。 在液體狀態下，在非常低的溫度下，它可以被磁鐵吸住，就像鐵屑一樣。 這一特性與氧氣中的電子有關。 所有的分子都是由原子核和電子組成的，而原子核和電子的行為又傾向於像羅盤上的微小的針。 通常，這些針成對排列，指向相反的方向，將它們的磁力抵消了。 然而，在一個由兩個氧原子組成的氧分子中，兩個羅盤針指向同一個方向，使氧具有磁性。

染料分子，例如那些用於給T恤衫著色的分子是沒有磁性的，因為電子的羅盤針指向相反的方向。 當光照在這樣的分子上時，某種顏色的光將被吸收，使染料具有其特有的外觀。 在這個吸收光的過程中，光的能量被轉移到染料分子中的一個電子，打破了兩個電子的原始配對，使受激電子的羅盤針自發地改變其排列。 當這一過程發生時，電子不能再返回到它的原始狀態，讓染料分子變得具有磁性，進入所謂的三重態。

由Jascha Repp教授領導的一個國際研究小組現在已經成功地揭示了這種三重態的能量是如何從一個單一的染料分子轉移到一個單一的氧分子的。 這個過程在日常生活中非常重要，許多氧化反應都是通過激發的三重態進行的。 只要分子停留在這個狀態，它就能保留光所賦予它的能量，從而促進化學反應。 大多數化學反應如燃燒，需要一些初始能量，例如需要火花的引燃才能開始。

染料分子內的能量完全消散，就必須再次扭轉電子羅盤針的排列，這是一個緩慢和不可能的過程。 另外，染料分子內的光能，對應於磁能，可以簡單地轉移到另一個磁性分子，如氧氣–這個過程很像通過旋轉附近的另一個條形磁鐵來翻轉一個條形磁鐵。 這種能量的轉移使染料分子”興奮”起來 ，但它往往使氧分子本身具有高度活性，最終破壞了染料分子。 這種效應在漂白的T恤衫或曬傷曬黑的體驗中是眾所周知的，後者其中的”染料分子”就是皮膚中的色素。

該小組現在成功地在空間中直接跟蹤染料和氧分子之間的這種能量轉移而不破壞染料分子。 為了做到這一點，單分子被放置在一個表面上，並被冷卻到接近宇宙溫度的極低溫度。 使用一個所謂的原子力顯微鏡，包括一根非常細的針，其尖端只有一個單一的原子，研究人員能夠通過掃描染料分子的尖端對其單個原子進行成像。 通過採用巧妙的電脈衝序列應用於染料分子，它可以以一種受控的方式被驅動到磁性三聯態。 然後，通過測量作用在針尖上的力的微小變化，及時跟蹤從這個激發的三態到附近的氧分子的能量轉移。

《科學》雜誌報導的這種新方法使研究人員能夠探測染料分子和氧氣的許多不同的幾何排列方式。 通過這種方式，可以首次解決原子層面上的分子排列和這種能量轉移發生的速度之間的相互作用。 科學家們現在的目標是最終能夠制定一個基本氧化反應的基本微觀框架。

除了防止T恤衫褪色之外，分子三態激發之間的這種相互作用對一系列技術發展具有核心意義，例如在有機發光二極體（OLED）和有機太陽能電池、光催化能量轉換和光合作用以及光動力癌症治療中。