Waarom ongeordende systemen voor het oogsten van licht geordende resultaten opleveren

Wetenschappers werken doorgaans het liefst met geordende systemen. Een divers team van natuurkundigen en biofysici van de Rijksuniversiteit Groningen ontdekte echter dat individuele licht-oogstende nanobuisjes met ongeordende moleculaire structuren nog steeds op dezelfde manier lichtenergie transporteren. Door spectroscopie, moleculaire dynamica-simulaties en theoretische fysica te combineren, ontdekten ze hoe wanorde op moleculair niveau effectief wordt uitgemiddeld op microscopische schaal. De resultaten zijn op 28 september gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society.

De dubbelwandige licht-oogstende nanobuisjes worden zelf samengesteld uit moleculaire bouwstenen. Ze zijn geïnspireerd op het meerwandige buisvormige antennetwerk van fotosynthetische bacteriën die in de natuur voorkomen. De nanobuisjes absorberen en transporteren lichtenergie, al was niet helemaal duidelijk hoe. “De nanobuisjes hebben vergelijkbare afmetingen, maar ze verschillen allemaal op moleculair niveau doordat de moleculen op een ongeordende manier zijn gerangschikt”, legt Maxim Pshenichnikov, hoogleraar Ultrasnelle Spectroscopie aan de Rijksuniversiteit Groningen, uit.

Eén molecuul

Björn Kriete, een Ph.D. student in de groep van Pshenichnikov, gebruikte spectroscopie om te meten hoe licht-oogstsystemen, elk bestaande uit een dubbelwandige nanobuis die uit een paar duizend moleculen bestaat, zich gedroegen. “We onderzochten ongeveer vijftig van deze systemen en ontdekten dat ze zeer vergelijkbare optische eigenschappen hadden, ondanks het feit dat ze significante verschillen vertoonden op moleculair niveau.” Voor het meten van individuele lichtopvangsystemen is het gebruik van de nieuwste spectroscopietechnieken van één molecuul vereist. In eerdere studies is alleen gekeken naar bulkmateriaal dat miljoenen van deze systemen bevat.

Dus, hoe kan wanorde op moleculair niveau worden verzoend met de zeer geordende reacties van individuele systemen op licht? Om deze vraag te beantwoorden, kreeg Pshenichnikov hulp van zowel de groep Moleculaire Dynamica als de groep Theoretische Fysica van de Rijksuniversiteit Groningen. Postdoctorale onderzoekers Riccardo Alessandri en Anna Bondarenko waren verantwoordelijk voor het simuleren van het nanobuisjesysteem in oplossing. “Het was een hele uitdaging om een ​​systeem met duizenden moleculen te simuleren, om te proberen de stoornis op een efficiënte manier te berekenen”, legt Alessandri uit. In totaal bevatte de simulatie ongeveer 4,5 miljoen atomen.

Stemvorken

Uiteindelijk onthulde de simulatie een groter beeld dat in overeenstemming was met de experimentele resultaten van Pshenichnikov, maar het onthulde ook extra moleculaire details. Dit hielp Jasper Knoester, hoogleraar Theoretische Fysica, om alle punten met elkaar te verbinden. Hij herkende een patroon in de data dat ‘uitwisselingsvernauwing’ wordt genoemd. “Dit effect is verantwoordelijk voor het uitmiddelen van kleine verschillen op moleculair niveau.” Je kunt het vergelijken met het klassieke experiment met stemvorken waarin een trilling in één fork kan overgaan naar een tweede fork als deze op ongeveer dezelfde frequentie is afgestemd, “legt Knoester uit.

De energie die wordt geoogst door de lichtgevoelige systemen wordt getransporteerd in de vorm van excitonen, dit zijn kwantummechanische golffuncties, vergelijkbaar met trillingen. Elk exciton verspreidt zich over 100 tot 1.000 moleculen. Pshenichnikov zegt: “Deze moleculen zijn niet geordend, maar ze zijn verbonden door dipool-dipoolkoppeling.” Door deze koppeling kunnen de moleculen waaruit de nanobuisjes bestaan, samen trillen. Kleine verschillen tussen hen worden gemiddeld, wat resulteert in licht-oogstsystemen met vergelijkbare optische eigenschappen.

Metselaar

Het is nu duidelijk hoe geordend optisch gedrag kan voortkomen uit een ongeordende moleculaire structuur. De link tussen de moleculen is essentieel. Pshenichnikov zegt: “Denk aan een slecht opgeleide metselaar, die stenen gewoon in een bepaald patroon in elkaar zet. Als ze goed aan elkaar worden vastgemaakt, krijg je toch een sterke muur.” Voor de nanobuisjes betekent dit dat een zekere mate van wanorde heel acceptabel is in deze lichtopvangsystemen. “Ik denk dat de implicaties zelfs nog groter zijn”, zegt Pshenichnikov. “De volgende stap is om te onderzoeken hoe deze eigenschappen naar voren kunnen komen in systemen en deze te gebruiken bij het ontwerpen en creëren van nieuwe functionele materialen.”