science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Onderzoekers leggen uit hoe op kleurstof gebaseerde nanobuisjes kunnen helpen bij het oogsten van lichtenergie

Groene zwavelbacteriën, wiens uitzonderlijke lichtoogstcapaciteiten het kunstmatige systeem inspireerden dat werd geanalyseerd door postdoc Dörthe Eisele en haar medewerkers, domineren deze hete lente in Yosemite National Park en geven het zijn opvallende groene kleur.

Bedrijven die commerciële zonnecellen maken zijn blij als ze 20 procent efficiëntie kunnen halen bij het omzetten van zonlicht naar elektriciteit; een verbetering van zelfs 1 procent wordt gezien als een grote vooruitgang. Maar de natuur, die miljarden jaren heeft gehad om de fotosynthese te verfijnen, kunnen veel beter:micro-organismen die groene zwavelbacteriën worden genoemd, die diep in de oceaan leven waar nauwelijks licht beschikbaar is, erin slagen om 98 procent van de energie te oogsten in het licht dat hen bereikt.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers onder leiding van een MIT-postdoc hebben een kunstmatig systeem geanalyseerd dat de methode voor het opvangen van licht modelleert die wordt gebruikt door diepzeebacteriën. Verdere vooruitgang in het begrijpen van fundamentele lichtoogstprocessen kan leiden tot geheel nieuwe benaderingen voor het opvangen van zonne-energie, zeggen de onderzoekers. Hun resultaten werden op 1 juli gerapporteerd in het tijdschrift Natuurchemie .

Het kunstmatige systeem, beschreven in een eerder artikel door postdoc Dörthe M. Eisele van MIT's Research Laboratory of Electronics en medewerkers, bestaat uit een zelfassemblerend systeem van kleurstofmoleculen die perfect uniforme dubbelwandige nanobuisjes vormen. Deze buizen - slechts ongeveer 10 nanometer breed maar duizenden keren langer - zijn vergelijkbaar in grootte, vorm en functie voor natuurlijke receptoren die worden gebruikt door groene zwavelbacteriën die energie verzamelen uit de kleine hoeveelheden zonlicht die doordringen tot in de diepten van de oceaan.

“Het is een van de grote geheimen van de natuur, hoe licht zo efficiënt te oogsten, ', zegt Eisele. Haar co-auteurs zijn onder meer Moungi G. Bawendi en wijlen Robert J. Silbey, beide MIT-hoogleraren scheikunde, samen met medewerkers van de Humboldt Universiteit van Berlijn, de Universiteit van Texas in Austin en de Universiteit van Groningen in Nederland.

Eisele zegt dat dit specifieke type nanobuis waarschijnlijk geen praktische toepassingen zal vinden. Liever, ze zegt, deze experimenten waren bedoeld om onderliggende principes te bestuderen die vervolgens konden worden gebruikt om optimale materialen voor bepaalde toepassingen te vinden. “Dit systeem is zo interessant omdat het een prachtig modelsysteem is, "zegt ze, om te analyseren hoe dergelijke structuren op licht reageren.

In tegenstelling tot typische zelfassemblerende systemen waarin elke structuur een beetje anders kan zijn, deze dubbelwandige buizen, gemaakt van een kleurstof op basis van cyanine, vormen perfect uniforme vormen en maten.

Dat maakt het een perfect modelsysteem, Eisele legt uit, omdat de wetenschap dat alle nanobuisjes in een oplossing identiek zijn, het mogelijk maakt om hun eigenschappen in bulk te bestuderen, in plaats van de respons van elke afzonderlijke buis te moeten isoleren.

Een fundamentele vraag die het team wilde beantwoorden, was of de twee concentrische cilinders van de dubbelwandige buizen samenwerkten als een geïntegreerd systeem voor het opvangen van de energie van licht, of dat elke cilinder op zichzelf handelde.

Om die vraag te beantwoorden, Eisele en haar team bedachten een manier om een ​​van de twee cilinders te deactiveren door de moleculen van de buitenmuur te oxideren. “De buisvormige structuur is nog intact, maar het doodt de optische respons van de buitenmuur, dus wat overblijft is de optische respons van de binnenwand, ' zegt ze. "Het is een heel eenvoudige en elegante manier om het spectrum van de binnenmuur te isoleren."

Door optische reacties te vergelijken wanneer beide cilinders werken en wanneer slechts één werkt, het is mogelijk om te bepalen hoeveel interactie plaatsvindt tussen de twee cilinders. “Als je kijkt naar de dynamiek van de redoxreactie, Eisele zegt, “je ziet dat deze twee cilinders als twee aparte systemen kunnen worden gezien.”

Door deze vereenvoudigde kunstmatige structuur te karakteriseren, kunnen onderzoekers efficiëntere apparaten voor het oogsten van licht bouwen. "De natuur had miljoenen jaren om te optimaliseren" hoe organismen energie vastleggen, Eisele zegt; begrijpen hoe het dat deed, kan leiden tot betere door de mens gemaakte systemen.

“We willen de efficiëntie van zonnecellen die we nu hebben niet verbeteren, ' zegt ze. "We willen van de natuur leren hoe we geheel nieuwe apparaten voor het oogsten van licht kunnen bouwen."

Gregory Scholes, de DJ LeRoy Distinguished Professor of Chemistry aan de Universiteit van Toronto, die niet bij dit werk betrokken was, zegt, "De onderzoekers gebruikten voortreffelijke experimenten om te testen hoe de componenten op nanoschaal van dit systeem op elkaar inwerken na foto-excitatie." Hij voegt eraan toe dat het werk "belangrijke inzichten verschaft in het ontwerp van grote assemblages van moleculen voor toepassingen bij 'licht oogsten'."

Het onderzoek werd ondersteund door de Deutsche Forschungsgemeinschaft, het Integrative Research Institute for the Sciences in Berlijn, de Nationale Wetenschapsstichting, de Alexander von Humboldt Stichting, het Department of Energy Centre for Excitonics, het Army Research Office en het Defense Advanced Research Projects Agency.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.