Se energitransport gennem biomimetiske nanorør

Forskere fra University of Groningen (Holland) og University of Würzburg (Tyskland) har undersøgt et simpelt biomimetisk lys-høstsystem ved hjælp af avanceret spektroskopi kombineret med en mikrofluidisk platform. De dobbeltvæggede nanorør arbejder meget effektivt ved lave lysintensiteter, mens de er i stand til at slippe af med overskydende energi ved høje intensiteter. Disse egenskaber er nyttige ved design af nye materialer til høst og transport af fotonenergi. Resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation den 10. oktober.

Naturlige fotosyntetiske kompleksers bemærkelsesværdige evne til effektivt at udnytte sollys - selv i mørke omgivelser - har vakt udbredt interesse for at tyde deres funktionalitet. At forstå energitransport på nanoskala er nøglen til en række potentielle anvendelser inden for optoelektronik. Den overvældende kompleksitet af naturlige fotosyntetiske systemer, bestående af mange hierarkisk arrangerede underenheder, førte videnskabsmænd til at rette opmærksomheden mod biomimetiske analoger, som er struktureret som deres naturlige modstykker, men som nemmere kan kontrolleres.

Let-høstende molekyler

Optical Condensed Matter Science-gruppen og Theory of Condensed Matter-gruppen (begge ved Zernike Institute for Advanced Materials, University of Groningen) er gået sammen med kolleger fra University of Würzburg (Tyskland) for at få et omfattende billede af energitransport i et kunstigt lys-høstkompleks. De brugte en ny spektroskopisk lab-on-a-chip tilgang, som kombinerer avanceret tidsopløst multidimensionel spektroskopi, mikrofluidik, og omfattende teoretisk modellering.

Forskerne undersøgte en kunstig lysindsamlingsanordning, inspireret af det flervæggede rørformede antennenetværk af fotosyntetiske bakterier, der findes i naturen. Den biomimetiske enhed består af nanorør lavet af lys-høstende molekyler, selvsamlet til et dobbeltvægget nanorør. "Imidlertid, selv dette system er ret komplekst, " forklarer Maxim Pshenichnikov, professor i ultrahurtig spektroskopi ved universitetet i Groningen. Hans gruppe udtænkte et mikrofluidisk system, hvori den ydre væg af røret kan opløses selektivt og, dermed, slukket. "Dette er ikke stabilt, men i flowsystemet, det kan studeres." På denne måde, forskerne kunne studere både det indre rør og hele systemet.

Tilpasning

Ved lav lysintensitet, systemet absorberer fotoner i begge vægge, skabe excitationer eller excitoner. "På grund af de forskellige størrelser på væggene, de absorberer fotoner med forskellige bølgelængder, " Pshenichnikov forklarer. "Dette øger effektiviteten." Ved høj lysintensitet, et stort antal fotoner absorberes, skabe et stort antal excitoner. "Vi observerede, at når to excitations mødes, en af ​​dem ophører faktisk med at eksistere." Denne effekt fungerer som en slags sikkerhedsventil, da høje antal excitoner kan beskadige nanorørene.

Dermed, forskerne viste også, at det dobbeltvæggede molekylære nanorør er i stand til at tilpasse sig skiftende belysningsforhold. De efterligner de væsentlige funktionelle elementer i naturens designværktøjskasse ved svage lysforhold ved at fungere som meget følsomme antenner, men slipper af med overskydende energi ved høje intensiteter, når der er for meget lys - en situation, der normalt ikke ville forekomme i naturen. Begge disse egenskaber baner vejen for bedre kontrol med transporten af ​​energi gennem komplekse molekylære materialer.