Wetenschappers observeren gericht energietransport tussen naburige moleculen in een nanomateriaal

Wanneer licht op een materiaal valt, zoals een groen blad of het netvlies, transporteren bepaalde moleculen energie en lading. Dit leidt uiteindelijk tot scheiding van ladingen en opwekking van elektriciteit. Moleculaire trechters, zogenaamde kegelvormige kruispunten, zorgen ervoor dat dit transport zeer efficiënt en gericht is.

Een internationaal team van fysici constateert nu dat dergelijke kegelvormige snijpunten ook zorgen voor een gericht energietransport tussen naburige moleculen van een nanomateriaal. Theoretische simulaties hebben de experimentele resultaten bevestigd. Tot nu toe hadden wetenschappers dit fenomeen alleen binnen één molecuul waargenomen. Op de lange termijn kunnen de resultaten helpen om efficiëntere nanomaterialen te ontwikkelen voor bijvoorbeeld organische zonnecellen. De studie, geleid door Antonietta De Sio, Universiteit van Oldenburg, en Thomas Frauenheim, Universiteit van Bremen, Duitsland, werd gepubliceerd in de huidige uitgave van het wetenschappelijke tijdschrift Natuur Nanotechnologie.

Fotochemische processen spelen een grote rol in de natuur en in de technologie: wanneer moleculen licht absorberen, gaan hun elektronen over in een aangeslagen toestand. Deze overgang veroorzaakt extreem snelle moleculaire schakelprocessen. In het menselijk oog bijvoorbeeld, roteert het molecuul rhodopsine op een bepaalde manier na het absorberen van licht en triggert zo uiteindelijk een elektrisch signaal – de meest elementaire stap in het visuele proces.

Eerste experimenteel bewijs voor conische snijpunten tussen moleculen

De reden hiervoor is een speciale eigenschap van rodopsinemoleculen, legt Christoph Lienau, hoogleraar ultrasnelle nano-optica aan de Universiteit van Oldenburg en co-auteur van de studie, uit: ‘Het rotatieproces vindt altijd op een vergelijkbare manier plaats, zij het vanuit een kwantummechanisch gezien zijn er veel verschillende mogelijkheden voor de moleculaire beweging. “

Dit komt door het feit dat het molecuul tijdens het rotatieproces door een kegelvormige kruising moet worden geleid, zoals een studie uit 2010 experimenteel aantoonde in visueel pigment: “Dit kwantummechanische mechanisme functioneert als een eenrichtingsverkeer in het molecuul: het kanaliseert het energie in een bepaalde richting met een zeer hoge waarschijnlijkheid ”, legt Lienau uit.

Het onderzoeksteam onder leiding van Antonietta De Sio, senior wetenschapper in de onderzoeksgroep Ultrafast Nano-optics aan de Universiteit van Oldenburg, en Thomas Frauenheim, hoogleraar Computational Materials Science aan de Universiteit van Bremen, heeft nu een dergelijke eenrichtingsweg waargenomen voor elektronen in een nanomateriaal. Het materiaal is gesynthetiseerd door collega’s van de Universiteit van Ulm, Duitsland, en wordt al gebruikt in efficiënte organische zonnecelapparaten.

“Wat onze resultaten bijzonder maakt, is dat we voor het eerst experimenteel conische snijpunten tussen naburige moleculen hebben aangetoond”, legt De Sio uit. Tot nu toe hadden natuurkundigen wereldwijd alleen het kwantummechanische fenomeen binnen één molecuul waargenomen en alleen gespeculeerd dat er mogelijk ook kegelvormige kruispunten zijn tussen naast elkaar liggende moleculen.

Theoretische berekeningen ondersteunen experimentele gegevens

Het team van De Sio heeft deze eenrichtingsstraat voor elektronen ontdekt door gebruik te maken van ultrasnelle laserspectroscopie: de wetenschappers bestralen het materiaal met laserpulsen van slechts enkele femtoseconden. Een femtoseconde is een miljoenste van een miljardste van een seconde. De methode stelt de onderzoekers in staat om een ​​soort filmpje op te nemen van de processen die plaatsvinden direct nadat het licht het materiaal bereikt. De groep kon observeren hoe elektronen en atoomkernen door de kegelvormige kruising bewogen.

De onderzoekers ontdekten dat een bijzonder sterke koppeling tussen de elektronen en specifieke nucleaire trillingen helpt om energie van het ene molecuul naar het andere over te brengen alsof het in een eenrichtingsverkeer is. Dit is precies wat er gebeurt in de kegelvormige kruispunten. “In het materiaal dat we hebben bestudeerd, duurde het slechts ongeveer 40 femtoseconden tussen de allereerste optische excitatie en de passage door de kegelvormige kruising”, zegt De Sio.

Om hun experimentele waarnemingen te bevestigen, werkten de onderzoekers uit Oldenburg en Bremen ook samen met theoretisch fysici van het Los Alamos National Laboratory, New Mexico, VS, en CNR-Nano, Modena, Italië. “Met hun berekeningen hebben ze duidelijk aangetoond dat we onze experimentele gegevens correct hebben geïnterpreteerd”, legt De Sio uit.

De onderzoekers uit Oldenburg kunnen nog niet in detail inschatten wat het exacte effect is van deze kwantummechanische eenrichtingsstraten op toekomstige toepassingen van moleculaire nanostructuren. Op de lange termijn kunnen de nieuwe bevindingen echter helpen om nieuwe nanomaterialen te ontwerpen voor organische zonnecellen of opto-elektronische apparaten met verbeterde efficiëntie, of om kunstmatige ogen te ontwikkelen op basis van nanostructuren.