Natuurkundigen hebben een "planeet-satellietmodel" ontwikkeld om nanodeeltjes nauwkeurig te verbinden en te rangschikken in driedimensionale structuren. Geïnspireerd door de fotosystemen van planten en algen, deze kunstmatige nano-assemblages kunnen in de toekomst dienen om energie te verzamelen en om te zetten.

Als de nanodeeltjes van de wetenschappers een miljoen keer groter waren, het laboratorium zou er in de kersttijd uitzien als een knutselruimte:goud, zilveren en kleurrijke glanzende bollen in verschillende maten en filamenten in verschillende lengtes. Want in het midden van het "planeet-satellietmodel" op nanoschaal bevindt zich een gouddeeltje dat in een baan om de aarde draait door andere nanodeeltjes gemaakt van zilver, cadmiumselenide of organische kleurstoffen.

Als bij toverslag, slim ontworpen DNA-strengen verbinden de satellieten op een zeer precieze manier met de centrale planeet. De techniek hierachter, genaamd "DNA-origami", is een specialiteit van natuurkundeprofessor Tim Liedl (LMU München) en zijn team. Samen met de groep van professor Jochen Feldmann (ook LMU München) introduceerden en analyseerden ze dit nieuwe montageschema. Beide groepen maken deel uit van het excellentiecluster Nanosystems Initiative Munich (NIM).

Groot of klein, Dichtbij of ver weg

Een onderscheidend kenmerk van de nieuwe methode is het modulaire assemblagesysteem waarmee de wetenschappers alle aspecten van de structuur heel gemakkelijk en gecontroleerd kunnen wijzigen:de grootte van het centrale nanodeeltje, de soorten en maten van de "satellieten" en de afstand tussen planeet en satellietdeeltje. De aanpak stelt de natuurkundigen ook in staat om hun systeem aan te passen en te optimaliseren voor andere doeleinden.

Fotonische systemen

metalen, halfgeleiders of fluorescerende organische moleculen dienen als satellieten. Dus, zoals de antennemoleculen in natuurlijke fotosystemen, dergelijke satellietelementen kunnen in de toekomst worden georganiseerd om lichtenergie te verzamelen en over te brengen naar een katalytisch reactiecentrum waar het wordt omgezet in een andere vorm van energie. Voorlopig, echter, het model stelt de wetenschappers in staat om fundamentele fysieke effecten te onderzoeken, zoals het zogenaamde uitdovingsproces, die verwijst naar de veranderende fluorescentie-intensiteit van een kleurstofmolecuul als functie van de afstand tot het centrale gouden nanodeeltje.

"Het modulaire assemblageprincipe en de hoge opbrengst die we behaalden bij de productie van de planeet-satellietsystemen waren de cruciale factoren voor het betrouwbaar onderzoeken van dit bekende effect met de nieuwe methoden, " legt Robert Schreiber uit, hoofdauteur van de studie.

Een hele nieuwe kosmos

In aanvulling, de wetenschappers slaagden erin om individuele planeet-satelliet-eenheden samen te voegen tot grotere arrays, met behoud van de combinatorische vrijheid. Op deze manier, het zou mogelijk zijn om complexe en functionele driedimensionale nanosystemen te ontwikkelen, die kunnen worden gebruikt als Raman-spectroscopieplatforms, als plasmonische energietrechters of als nanoporeuze materialen voor katalytische toepassingen.