Molekyler i kollektiv ekstase

"Det, vi ser her, er energioverførsel, der er meget hurtigere end i nogen halvleder, " siger Jakob Heier. Fysikeren arbejder i Empas Functional Polymers laboratorium, og den opdagelse, han har gjort sammen med sit team, kan skabe opsigt på mange områder – såsom sensorteknologi, optisk datatransmission eller fremstilling af organiske solceller. Vi taler om øer af farvestofmolekyler med en perfekt, indre struktur. Blandt eksperter, sådanne strukturer kaldes J-aggregater. Selvom de har været kendt i mere end 80 år, de tiltrak for nylig fornyet opmærksomhed i forskningen. Dette skyldes det specielle elektroniske indre liv i disse farvestoføer.

For at forstå, hvad Heier og hans kolleger har fundet, en kort udflugt til farvestoffernes verden er nyttig:Hvis et farvestof skal gløde, molekylet skal først aktiveres med lys. Optiske blegemidler i vaskemidler, for eksempel, absorberer UV-lys og udsender blåligt (synligt) lys - hvilket er grunden til, at hvidt tøj skinner så stærkt i UV-lyset fra en kølle. Det udsendte lys har lavere energi end det lys, der bruges til at aktivere farvestoffet, fordi en del af energien omdannes til vibrationer, dvs varme, i farvestofmolekylet.

Molekyler som energiantenner

J-aggregaterne undersøgt af Heier og Empa Ph.D. studerende Surendra Anantharaman opfører sig anderledes end individuelle farvestofmolekyler. På disse molekylære øer, farvestofmolekylerne er velordnet og meget tæt på hinanden, meget som tændstikker i en æske. I denne konstellation, farvestofmolekylet 'behøver' ikke at lyse, men 'kan' give sin energi videre til et nabomolekyle.

Sammenlignet med klassiske halvledere lavet af silicium, der er en afgørende forskel, dog:I en siliciumhalvleder, som en solcelle, excitationsenergien transporteres via ladningsbærere, for eksempel elektroner, som 'hopper' gennem materialet, så at sige. I J-aggregater, på den anden side, elektronerne svinger kun frem og tilbage i farvestofmolekylet og forlader det aldrig. I stedet for elektroner, kun oscillationer transmitteres - svarende til sende- og modtageantenner i den makroskopiske verden. Faktisk, J-aggregater kan 'transmittere' energi i den mindste skala - ekstremt hurtigt og på tværs af hundredvis af molekyler.

Høje tab i 80 år

Fænomenet J-aggregater og deres særlige energitransmission blev først opdaget allerede i 1936 af Edwin E. Jelley i USA og Günter Scheibe i Tyskland. Men indtil nu, omkring 95 procent af den udstrålede energi gik tabt og kunne ikke transmitteres. 'Bygningsfejl' i systemet var skylden. I virkeligheden, molekylerne var ikke så perfekt justeret. Og hver gang energipulsen stødte på en af ​​disse defekter under sin rejse gennem J-aggregatet, energitransporten blev afbrudt. En almindelig molekylær vibration afsluttede overførslen, en smule varme blev genereret, og spillet var slut.

Den perfekte antenneskov

Empa holdet, støttet af forskere fra ETH Zürich, EPF Lausanne, PSI og IBM Research Zürich, har nu haft held med at udvikle et farvesystem, hvor op til 60 procent af det indkommende lys genudsendes. Dette betyder også, at op til 60 procent af energien kan overføres uden tab – sammenlignet med de foregående fem procent, det er en sensation. Nøglen til succes var perfekt konstruerede farveøer, der var blevet skabt i en fin emulsion af vand og hexylamin. En emulsion er en blanding af væskedråber i en anden væske - mælk eller mayonnaise er emulsioner, som alle kender.

Empa-forskerne observerede, at ikke en hvilken som helst emulsion ville gøre arbejdet:Det skulle være en såkaldt bikontinuerlig emulsion, hvilket betyder, at dråberne suspenderet i den ydre væske ikke må være langt fra hinanden, men skal have kombineret for at danne stribelignende strukturer. Først da danner det undersøgte farvestof de ønskede fejlfrie J-aggregater og kan uden tab 'sende' den absorberede energi over lange afstande. Dermed, farvestofmolekyler stiller op i en bikontinuerlig emulsion - svarende til tændstikker i en æske. Først da lykkes signaloverførsel.

Fejl er en del af spillet

Undersøgelsen, der nu er blevet offentliggjort, nævner også - i god videnskabelig tradition - de mislykkede forsøg og historien om det vellykkede eksperiment. Trods alt, kemikere og fysikere over hele verden burde kunne bygge videre på Empa-holdets erfaringer. For eksempel, det var ikke muligt at krystallisere farvestoffet i form af tynde film på en fast overflade. For mange defekter i krystallerne ødelagde overførslen. vandige opløsninger, hvor farvestoffet samler sig til små dråber, virker heller ikke. Kun bikontinuerlige emulsioner fører til signaltransmission - og kun hvis der er individuelle farvestofmolekyler tilbage i en flydende fase, der kan fylde huller og lukke huller i J-aggregaterne - med andre ord, der kan reparere defekter.

Forskerne har bestemt stadig et stykke vej igen, før det, de nu har opnået i en emulsion, kan gøres teknisk brugbart. Men signaltransmission gennem farvestoffer kan trænge ind på mange områder af hverdagen. For eksempel, det er muligt at fange svagt infrarødt lys ved hjælp af disse farvestoffer og konvertere det til digitale signaler ved hjælp af kvanteprikker - en fordel for sensorteknologi og solceller, som skal levere strøm selv i meget svagt lys. På grund af deres unikke egenskaber, J-aggregater egner sig også til applikationer i kvantecomputere og optisk datatransmission.

Endelig, de signalledende farvestofaggregater kan blive nyttige i diagnostik i levende væv:Infrarødt lys, eller termisk stråling, trænger dybt ind i menneskeligt væv uden at beskadige celler. J-aggregater kunne gøre denne stråling synlig og digitalisere den. Dette kunne i høj grad lette og forbedre højopløsningsmikroskopafbildning af levende væv.