Forskere observerer rettet energitransport mellem nabomolekyler i et nanomateriale

Når lys falder på et materiale, såsom et grønt blad eller nethinden, visse molekyler transporterer energi og ladning. Dette fører i sidste ende til adskillelse af afgifter og produktion af elektricitet. Molekylære tragte, såkaldte koniske skæringspunkter, sikre, at denne transport er yderst effektiv og målrettet.

Et internationalt hold af fysikere har nu observeret, at sådanne koniske skæringspunkter også sikrer en rettet energitransport mellem nabomolekyler af et nanomateriale. Teoretiske simuleringer har bekræftet de eksperimentelle resultater. Indtil nu, videnskabsmænd havde kun observeret dette fænomen inden for et molekyle. På lang sigt, resultaterne kunne være med til at udvikle mere effektive nanomaterialer til organiske solceller, for eksempel. Studiet, ledet af Antonietta De Sio, Universitetet i Oldenburg, og Thomas Frauenheim, Universitetet i Bremen, Tyskland, blev offentliggjort i det aktuelle nummer af det videnskabelige tidsskrift Natur nanoteknologi .

Fotokemiske processer spiller en stor rolle i naturen og i teknologien:Når molekyler absorberer lys, deres elektroner går over i en ophidset tilstand. Denne overgang udløser ekstremt hurtige molekylære omskiftningsprocesser. I det menneskelige øje, for eksempel, molekylet rhodopsin roterer på en bestemt måde efter at have absorberet lys og udløser dermed i sidste ende et elektrisk signal - det mest elementære trin i den visuelle proces.

Første eksperimentelle bevis for koniske skæringspunkter mellem molekyler

Årsagen til dette er en særlig egenskab ved rhodopsin-molekyler, forklarer Christoph Lienau, professor i ultrahurtig nanooptik ved universitetet i Oldenburg og medforfatter til undersøgelsen:"Rotationsprocessen foregår altid på samme måde, selvom der fra et kvantemekanisk synspunkt er mange forskellige muligheder for den molekylære bevægelse."

Dette skyldes det faktum, at molekylet skal tragt gennem et konisk skæringspunkt under rotationsprocessen, som en undersøgelse fra 2010 demonstrerede eksperimentelt i visuelt pigment:"Denne kvantemekaniske mekanisme fungerer som en ensrettet gade i molekylet:Den kanaliserer energien i en bestemt retning med en meget høj sandsynlighed, " forklarer Lienau.

Forskerholdet ledet af Antonietta De Sio, seniorforsker i forskningsgruppen Ultrafast Nano-optics ved Universitetet i Oldenburg, og Thomas Frauenheim, professor i Computational Materials Science ved universitetet i Bremen, har nu observeret sådan en ensrettet gade for elektroner i et nanomateriale. Materialet er blevet syntetiseret af kolleger fra University of Ulm, Tyskland, og bruges allerede i effektive organiske solcelleapparater.

"Det, der gør vores resultater specielle, er, at vi eksperimentelt har demonstreret koniske skæringspunkter mellem nabomolekyler for første gang, " forklarer De Sio. Indtil nu, fysikere verden over havde kun observeret det kvantemekaniske fænomen inden for et enkelt molekyle og kun spekuleret i, at der også kunne være koniske skæringspunkter mellem molekyler, der ligger ved siden af ​​hinanden.

Teoretiske beregninger understøtter eksperimentelle data

De Sios team har opdaget denne ensrettede gade for elektroner ved at bruge metoder til ultrahurtig laserspektroskopi:Forskerne bestråler materialet med laserimpulser af kun et par femtosekunders varighed. Et femtosekund er en milliontedel af en milliardtedel af et sekund. Metoden gør det muligt for forskerne at optage en slags film af de processer, der finder sted umiddelbart efter, at lyset når materialet. Gruppen var i stand til at observere, hvordan elektroner og atomkerner bevægede sig gennem det koniske skæringspunkt.

Forskerne fandt ud af, at en særlig stærk kobling mellem elektronerne og specifikke nukleare vibrationer hjælper med at overføre energi fra et molekyle til et andet, som om det var på en ensrettet gade. Det er præcis, hvad der sker i de koniske kryds. "I det materiale, vi studerede, det tog kun omkring 40 femtosekunder mellem den allerførste optiske excitation og passagen gennem den koniske skæring, " siger De Sio.

For at bekræfte deres eksperimentelle observationer, forskerne fra Oldenburg og Bremen samarbejdede også med teoretiske fysikere fra Los Alamos National Laboratory, Ny mexico, OS., og CNR-Nano, Modena, Italien. "Med deres beregninger, de har tydeligt vist, at vi har fortolket vores eksperimentelle data korrekt, " forklarer De Sio.

Oldenburg-forskerne er endnu ikke i stand til i detaljer at estimere den nøjagtige effekt af disse kvantemekaniske ensrettede gader på fremtidige anvendelser af molekylære nanostrukturer. Imidlertid, på lang sigt kan de nye resultater hjælpe med at designe nye nanomaterialer til organiske solceller eller optoelektroniske enheder med forbedret effektivitet, eller at udvikle kunstige øjne fra nanostrukturer.