"Wat we hier zien is energieoverdracht die veel sneller is dan in welke halfgeleider dan ook, ", zegt Jakob Heier. De fysicus werkt in Empa's Functional Polymers-lab, en de ontdekking die hij met zijn team heeft gedaan, kan op veel gebieden voor opschudding zorgen, zoals sensortechnologie, optische datatransmissie of de fabricage van organische zonnecellen. We hebben het over eilanden van kleurstofmoleculen met een perfecte, interne structuur. Onder deskundigen, dergelijke structuren worden J-aggregaten genoemd. Hoewel ze al meer dan 80 jaar bekend zijn, ze trokken onlangs hernieuwde aandacht in onderzoek. Dit komt door het bijzondere elektronische innerlijk leven van deze kleurstofeilanden.

Om te begrijpen wat Heier en zijn collega's hebben gevonden, een korte excursie in de wereld van kleurstoffen is nuttig:als een kleurstof moet gloeien, het molecuul moet eerst met licht worden geactiveerd. Optische witmakers in wasmiddelen, bijvoorbeeld, absorberen UV-licht en zenden blauwachtig (zichtbaar) licht uit - daarom schijnen witte kledingstukken zo fel in het UV-licht van een club. Het uitgestraalde licht heeft een lagere energie dan het licht dat wordt gebruikt om de kleurstof te activeren, omdat een deel van de energie wordt omgezet in trillingen, d.w.z. warmte, in het kleurstofmolecuul.

Moleculen als energieantennes

De J-aggregaten bestudeerd door Heier en Empa Ph.D. student Surendra Anantharaman gedraagt ​​zich anders dan individuele kleurstofmoleculen. Op deze moleculaire eilanden, de kleurstofmoleculen zijn goed geordend en zeer dicht bij elkaar, net als lucifers in een doos. In dit sterrenbeeld, het kleurstofmolecuul 'hoeft' niet te gloeien, maar 'kan' zijn energie doorgeven aan een naburig molecuul.

Vergeleken met klassieke halfgeleiders van silicium, er is een cruciaal verschil, hoewel:in een siliciumhalfgeleider, zoals een zonnecel, de excitatie-energie wordt getransporteerd via ladingsdragers, bijvoorbeeld elektronen, die door het materiaal 'springen', bij wijze van spreken. In J-aggregaten, anderzijds, de elektronen oscilleren alleen heen en weer in het kleurstofmolecuul en verlaten het nooit. In plaats van elektronen, alleen oscillaties worden uitgezonden - vergelijkbaar met zend- en ontvangstantennes in de macroscopische wereld. In feite, J-aggregaten kunnen energie op de kleinste schaal 'overdragen' - extreem snel en over honderden moleculen.

Hoge verliezen gedurende 80 jaar

Het fenomeen J-aggregaten en hun speciale energietransmissie werd al in 1936 voor het eerst ontdekt door Edwin E. Jelley in de VS en Günter Scheibe in Duitsland. Maar tot nu toe, ongeveer 95 procent van de uitgestraalde energie ging verloren en kon niet worden overgedragen. 'Bouwfouten' in het systeem waren de oorzaak. In werkelijkheid, de moleculen waren niet zo perfect uitgelijnd. En telkens wanneer de energiepuls een van deze defecten tegenkwam tijdens zijn reis door het J-aggregaat, het energietransport werd onderbroken. Een gewone moleculaire vibratie maakte een einde aan de overdracht, er kwam wat warmte vrij, en het spel was afgelopen.

Het perfecte antennebos

Het Empa-team, ondersteund door onderzoekers van ETH Zürich, EPF Lausanne, PSI en IBM Research Zürich, is er nu in geslaagd een verfsysteem te ontwikkelen, waarin tot 60 procent van het invallende licht opnieuw wordt uitgestraald. Dit betekent ook dat tot 60 procent van de energie zonder verlies kan worden overgedragen - vergeleken met de vorige vijf procent, dit is een sensatie. De sleutel tot succes waren perfect geconstrueerde kleurstofeilanden die waren gemaakt in een fijne emulsie van water en hexylamine. Een emulsie is een mengsel van vloeistofdruppels in een andere vloeistof - melk of mayonaise zijn emulsies die iedereen kent.

De Empa-onderzoekers merkten op dat niet zomaar een emulsie het werk zou doen:het moest een zogenaamde bicontinue emulsie zijn, wat betekent dat de in de buitenste vloeistof gesuspendeerde druppeltjes niet ver van elkaar verwijderd mogen zijn, maar moet zijn gecombineerd om streepachtige structuren te vormen. Alleen dan vormt de onderzochte kleurstof de gewenste defectvrije J-aggregaten en kan de geabsorbeerde energie zonder verlies over lange afstanden 'sturen'. Dus, kleurstofmoleculen vormen een bicontinue emulsie - vergelijkbaar met lucifers in een doos. Alleen dan lukt de signaaloverdracht.

Mislukkingen horen bij het spel

De studie die nu is gepubliceerd vermeldt ook - in goede wetenschappelijke traditie - de mislukte pogingen en de geschiedenis van het succesvolle experiment. Ten slotte, scheikundigen en natuurkundigen over de hele wereld moeten kunnen voortbouwen op de ervaring van het Empa-team. Bijvoorbeeld, het was niet mogelijk om de kleurstof in de vorm van dunne films op een vast oppervlak te kristalliseren. Te veel defecten in de kristallen hebben de overdracht verpest. Waterige oplossingen, waarin de kleurstof aggregeert tot kleine druppeltjes, werken ook niet. Alleen bicontinue emulsies leiden tot signaaloverdracht - en alleen als er individuele kleurstofmoleculen in een vloeibare fase achterblijven die gaten kunnen vullen en gaten in de J-aggregaten kunnen dichten - met andere woorden, die defecten kan herstellen.

De onderzoekers hebben zeker nog een lange weg te gaan voordat wat ze nu in een emulsie hebben bereikt technisch bruikbaar kan worden gemaakt. Maar signaaloverdracht via kleurstoffen kan in veel gebieden van het dagelijks leven doordringen. Bijvoorbeeld, het is mogelijk om met behulp van deze kleurstoffen zwak infrarood licht op te vangen en met behulp van quantum dots om te zetten in digitale signalen - een voordeel voor sensortechnologie en zonnecellen, die geacht worden elektriciteit te leveren, zelfs bij zeer zwak licht. Door hun unieke eigenschappen, J-aggregaten lenen zich ook voor toepassingen in kwantumcomputers en optische datatransmissie.

Eindelijk, de signaalgeleidende kleurstofaggregaten kunnen nuttig worden bij diagnostiek in levend weefsel:infrarood licht, of thermische straling, dringt diep door in menselijk weefsel zonder cellen te beschadigen. J-aggregaten zouden deze straling zichtbaar kunnen maken en digitaliseren. Dit zou de beeldvorming met hoge resolutie van levend weefsel aanzienlijk kunnen vergemakkelijken en verbeteren.