Wetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen (Nederland) en de Universiteit van Würzburg (Duitsland) hebben een eenvoudig biomimetisch lichtoogstsysteem onderzocht met behulp van geavanceerde spectroscopie in combinatie met een microfluïdisch platform. De dubbelwandige nanobuisjes werken zeer efficiënt bij lage lichtintensiteiten, terwijl ze in staat zijn om overtollige energie bij hoge intensiteit kwijt te raken. Deze eigenschappen zijn nuttig bij het ontwerpen van nieuwe materialen voor het oogsten en transporteren van fotonenenergie. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie op 10 oktober.

Het opmerkelijke vermogen van natuurlijke fotosynthetische complexen om zonlicht efficiënt te benutten, zelfs in donkere omgevingen, heeft geleid tot wijdverbreide belangstelling voor het ontcijferen van hun functionaliteit. Het begrijpen van energietransport op nanoschaal is essentieel voor een reeks potentiële toepassingen op het gebied van opto-elektronica. De overweldigende complexiteit van natuurlijke fotosynthesesystemen, bestaande uit vele hiërarchisch gerangschikte subeenheden, bracht wetenschappers ertoe hun aandacht te richten op biomimetische analogen, die zijn gestructureerd als hun natuurlijke tegenhangers, maar gemakkelijker kunnen worden gecontroleerd.

Licht oogstende moleculen

De Optical Condensed Matter Science-groep en de Theory of Condensed Matter-groep (beide aan het Zernike Institute for Advanced Materials, Rijksuniversiteit Groningen) hebben de krachten gebundeld met collega's van de Universiteit van Würzburg (Duitsland) om een ​​uitgebreid beeld te krijgen van energietransport in een kunstmatig lichtoogstcomplex. Ze gebruikten een nieuwe spectroscopische lab-on-a-chip-aanpak, die geavanceerde tijdsopgeloste multidimensionale spectroscopie combineert, microfluïdica, en uitgebreide theoretische modellering.

De wetenschappers onderzochten een apparaat voor het oogsten van kunstlicht, geïnspireerd door het meerwandige buisvormige antennenetwerk van fotosynthetische bacteriën in de natuur. Het biomimetische apparaat bestaat uit nanobuisjes gemaakt van licht-oogstende moleculen, zelf geassembleerd tot een dubbelwandige nanobuis. "Echter, zelfs dit systeem is nogal complex, " legt Maxim Pshenichnikov uit, hoogleraar ultrasnelle spectroscopie aan de Rijksuniversiteit Groningen. Zijn groep bedacht een microfluïdisch systeem, waarin de buitenwand van de buis selectief kan worden opgelost en, dus, uit. "Dit is niet stabiel, maar in het stroomsysteem, het kan worden bestudeerd." Op deze manier, de wetenschappers konden zowel de binnenband als het complete systeem bestuderen.

Aanpassen

Bij lage lichtintensiteit, het systeem absorbeert fotonen in beide wanden, het creëren van excitaties of excitonen. "Door de verschillende afmetingen van de wanden, ze absorberen fotonen van verschillende golflengten, " legt Pshenichnikov uit. "Dit verhoogt de efficiëntie." Bij hoge lichtintensiteit, een groot aantal fotonen wordt geabsorbeerd, het creëren van een groot aantal excitonen. "We hebben geconstateerd dat wanneer twee excitonen elkaar ontmoeten, een ervan houdt eigenlijk op te bestaan." Dit effect werkt als een soort veiligheidsklep, omdat grote aantallen excitonen de nanobuisjes zouden kunnen beschadigen.

Dus, de wetenschappers toonden ook aan dat de dubbelwandige moleculaire nanobuis zich kan aanpassen aan veranderende verlichtingsomstandigheden. Ze bootsen de essentiële functionele elementen van de ontwerptoolbox van de natuur na bij weinig licht door als zeer gevoelige antennes te fungeren, maar ontdoen zich van overtollige energie bij hoge intensiteiten wanneer er te veel licht is - een situatie die normaal niet in de natuur zou voorkomen. Beide eigenschappen maken de weg vrij voor een betere controle van het transport van energie door complexe moleculaire materialen.