Transport af energi gennem en enkelt molekylær nanotråd

Fotosyntetiske systemer i naturen transporterer energi meget effektivt mod et reaktionscenter, hvor det omdannes til en nyttig form for planten. Forskere har brugt dette som inspiration til at lære, hvordan man transporterer energi effektivt i molekylær elektronik og andre teknologier. Fysiker Richard Hildner fra University of Groningen og hans kolleger har undersøgt energitransport i et kunstigt system lavet af nanofibre. Resultaterne blev offentliggjort i Journal of the American Chemical Society .

"Naturlige fotosyntetiske systemer er blevet optimeret af milliarder af års evolution. Vi har fundet dette meget svært at kopiere i kunstige systemer, " forklarer Hildner, lektor ved universitetet i Groningen. I lys-høstende komplekser af bakterier eller planter, lys omdannes til energi, som derefter transporteres til reaktionscentret med minimale tab.

Bunter

Fem år siden, Hildner og hans kolleger udviklede et system, hvor skiveformede molekyler blev stablet i nanofibre med længder på over 4 mikrometer og en diameter på kun 0,005 mikrometer. Til sammenligning, diameteren af ​​et menneskehår er 50 til 100 mikrometer. Dette system kan transportere energi ligesom antennerne i fotosyntetiske systemer. "Men vi så nogle gange, at energitransporten satte sig fast i midten af ​​vores fire mikrometer lange fibre. Noget i systemet så ud til at være ustabilt, " husker han.

For at forbedre energitransporteffektiviteten, Hildner og hans kolleger skabte bundter af nanofibre. "Dette er den samme idé som den, der bruges i normal elektronik:meget tynde kobbertråde er bundtet sammen for at skabe et mere robust kabel." Imidlertid, de bundtede nanofibre viste sig at være dårligere til at transportere energi end enkeltfibre.

Sammenhæng

Årsagen er et fænomen kaldet kohærens. Når energi bliver lagt i molekylerne, der udgør fibrene, det skaber en ophidset tilstand eller exciton. Imidlertid, denne ophidsede tilstand er ikke en energipakke, der er forbundet med et enkelt molekyle. Hildner:"Energien er delokaliseret over flere molekyler, og den kan, derfor, bevæge sig hurtigt og effektivt hen over fiberen." Denne delokalisering betyder, at energien bevæger sig som en bølge fra det ene molekyle til det næste. uden sammenhæng, energien er begrænset til et enkelt molekyle og skal hoppe fra det ene molekyle til det næste. Sådan hop er en meget langsommere måde at transportere energi på.

"I bundterne, sammenhængen går tabt, " forklarer Hildner. Dette er forårsaget af den belastning, som bundtet påfører hver fiber i den. "Fibrene er komprimeret, og dette får sidegrupper af molekylerne til at styrte ind i hinanden." Dette ændrer energilandskabet. I en enkelt fiber, energien af ​​de exciterede tilstande af flere nabomolekyler er på samme niveau. I et bundt, molekylernes lokale miljøer er forskellige, fører til en forskel i energiniveauer.

Cykeltur

"Forestil dig, at du er på cykeltur. Turens højdeprofil repræsenterer energiniveauerne i molekylerne, der udgør fibrene, " siger Hildner. "Hvis du cykler i Holland, du kommer hurtigt frem til din destination, fordi terrænet er fladt. I modsætning, i alperne, du skal cykle op ad bakke ret ofte, hvilket er hårdt og bremser dig." Således, når molekylernes energiniveauer i fibrene er forskellige, transport bliver sværere.

Denne opdagelse betyder, at holdets oprindelige idé - at øge energitransporteffektiviteten ved hjælp af bundter af nanofibre - viste sig at være en fiasko. Imidlertid, de har lært værdifuld lektie af dette, som nu kan bruges af teoretiske fysikere til at beregne, hvordan man kan optimere transport i molekylære fibre. "Mine kolleger på universitetet i Groningen gør netop det i øjeblikket. Men vi ved allerede én ting:Hvis du vil have god energitransport i nanofibre, brug ikke bundter."

Enkel videnskabsoversigt

Planter og fotosyntetiske bakterier fanger sollys via molekylære antenner, som så overfører energien til et reaktionscenter med minimale tab. Forskere vil gerne lave molekylære ledninger, der kan overføre energi lige så effektivt. Forskere ved University of Groningen skabte små fibre ved at stable visse molekyler sammen. Enkeltfibre transporterer energi, selvom de nogle gange ikke fungerer. At skabe bundter af fibre (som det gøres med kobberledninger) blev anset for at være løsningen, men dette viste sig ikke at være tilfældet. Energi bevæger sig hurtigt, når den spredes ud over flere molekyler. I enkeltfibre, dette fungerer godt, men i bundtede fibre, denne spredning hæmmes, da molekylerne udsættes for belastning. Disse resultater kan bruges til bedre at forstå energitransport langs molekylære ledninger, som vil hjælpe med at designe bedre ledninger.