Hvorfor uordnede lysindsamlingssystemer producerer ordnede resultater

Forskere foretrækker typisk at arbejde med ordnede systemer. Imidlertid, et mangfoldigt hold af fysikere og biofysikere fra University of Groningen fandt ud af, at individuelle lys-høstende nanorør med uordnede molekylære strukturer stadig transporterer lysenergi på samme måde. Ved at kombinere spektroskopi, molekylær dynamik simuleringer og teoretisk fysik, de opdagede, hvordan uorden på molekylært niveau effektivt udlignes på mikroskopisk skala. Resultaterne blev offentliggjort den 28. september i Journal of the American Chemical Society .

De dobbeltvæggede lys-høstende nanorør samles selv af molekylære byggesten. De er inspireret af det flervæggede rørformede antennenetværk af fotosyntetiske bakterier, der findes i naturen. Nanorørene absorberer og transporterer lysenergi, selvom det ikke var helt klart hvordan. "Nanorørene har samme størrelse, men de er alle forskellige på molekylært niveau med molekylerne arrangeret på en uordnet måde, " forklarer Maxim Pshenichnikov, Professor i ultrahurtig spektroskopi ved universitetet i Groningen.

Enkelt-molekyle

Björn Kriete, en ph.d. studerende i Pshenichnikovs gruppe, brugt spektroskopi til at måle, hvordan lys-høstsystemer, hver bestående af et dobbeltvægget nanorør sammensat af et par tusinde molekyler, opførte sig. "Vi undersøgte omkring halvtreds af disse systemer og fandt ud af, at de havde meget ens optiske egenskaber på trods af, at de viste betydelige forskelle på molekylært niveau." Måling af individuelle lysindsamlingssystemer kræver brug af de nyeste enkeltmolekylespektroskopiteknikker. Tidligere undersøgelser så kun på bulkmateriale, der indeholder millioner af disse systemer.

Så, hvordan kan uorden på molekylært niveau forenes med individuelle systemers meget ordnede reaktioner på lys? For at besvare dette spørgsmål, Pshenichnikov modtog hjælp fra både Molecular Dynamics-gruppen og Teoretical Physics-gruppen ved Universitetet i Groningen. Postdoktorale forskere Riccardo Alessandri og Anna Bondarenko var ansvarlige for at simulere nanorørsystemet i opløsning. "Det var noget af en udfordring at simulere et system med tusindvis af molekyler, at forsøge at beregne lidelsen på en effektiv måde, " forklarer Alessandri. Samlet set, simuleringen indeholdt omkring 4,5 millioner atomer.

Stemmegafler

Til sidst, simuleringen afslørede et større billede, der var i overensstemmelse med de eksperimentelle resultater opnået af Pshenichnikov, men det afslørede også yderligere molekylære detaljer. Dette hjalp Jasper Knoester, professor i teoretisk fysik, for at forbinde alle prikkerne. Han genkendte et mønster i dataene, der omtales som 'udvekslingsindsnævring'." Denne effekt er ansvarlig for at udligne små forskelle på molekylært niveau. "Du kan sammenligne det med det klassiske eksperiment med stemmegafler, hvor en vibration i én gaffel kan overføres til en anden gaffel, hvis den er indstillet til nogenlunde samme frekvens, " forklarer Knoester.

Den energi, der høstes af de lysfølsomme systemer, transporteres i form af excitoner, som er kvantemekaniske bølgefunktioner, sammenlignes med vibrationer. Hver exciton spreder sig over 100 til 1, 000 molekyler. siger Pshenichnikov, "Disse molekyler er ikke bestilt, men de er forbundet gennem dipol-dipol-kobling." Denne kobling gør det muligt for molekylerne, der udgør nanorørene, at vibrere sammen. Mindre forskelle mellem dem udlignes i gennemsnit, hvilket resulterer i lys-høstsystemer, der har lignende optiske egenskaber.

Murermester

Det er nu klart, hvordan ordnet optisk adfærd kan opstå fra en uordnet molekylær struktur. Forbindelsen mellem molekylerne er afgørende. Pshenichnikov siger, "Tænk på en dårligt uddannet murer, der bare sætter klodser sammen i intet bestemt mønster. Hvis de er cementeret godt til hinanden, du ender stadig med en stærk mur." For nanorørene, dette betyder, at en vis mængde uorden er helt acceptabel i disse lys-høstsystemer. "Jeg tror, ​​at konsekvenserne er endnu bredere, " siger Pshenichnikov. "Det næste skridt er at undersøge, hvordan disse egenskaber kan opstå i systemer og bruge dette i design og skabelse af nye funktionelle materialer."