Fotosynthetische systemen in de natuur transporteren energie zeer efficiënt naar een reactiecentrum, waar het wordt omgezet in een bruikbare vorm voor de plant. Wetenschappers hebben dit als inspiratie gebruikt om te leren hoe ze energie efficiënt kunnen transporteren in moleculaire elektronica en andere technologieën. Natuurkundige Richard Hildner van de Rijksuniversiteit Groningen en zijn collega's hebben onderzoek gedaan naar energietransport in een kunstmatig systeem gemaakt van nanovezels. De resultaten zijn gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

"Natuurlijke fotosynthetische systemen zijn geoptimaliseerd door miljarden jaren van evolutie. We hebben ontdekt dat dit heel moeilijk te kopiëren is in kunstmatige systemen, " legt Hildner uit, universitair hoofddocent aan de Rijksuniversiteit Groningen. In de lichtoogstcomplexen van bacteriën of planten, licht wordt omgezet in energie, die vervolgens met minimale verliezen naar het reactiecentrum wordt getransporteerd.

Bundels

Vijf jaar geleden, Hildner en zijn collega's ontwikkelden een systeem waarin schijfvormige moleculen werden gestapeld tot nanovezels met een lengte van meer dan 4 micrometer en een diameter van slechts 0,005 micrometer. Ter vergelijking, de diameter van een mensenhaar is 50 tot 100 micrometer. Dit systeem kan energie transporteren zoals de antennes in fotosynthetische systemen. “Maar we zagen wel eens dat energietransport vast kwam te zitten in het midden van onze vier micrometer lange vezels. Iets in het systeem bleek instabiel, " herinnert hij zich.

Om de efficiëntie van het energietransport te verbeteren, Hildner en zijn collega's creëerden bundels nanovezels. "Dit is hetzelfde idee als dat in de normale elektronica wordt gebruikt:hele dunne koperdraden worden samengebundeld om een ​​robuustere kabel te creëren." Echter, de gebundelde nanovezels bleken slechter te zijn in het transporteren van energie dan losse vezels.

Samenhang

De reden is een fenomeen dat coherentie wordt genoemd. Wanneer energie wordt gestopt in de moleculen waaruit de vezels bestaan, het creëert een aangeslagen toestand of exciton. Echter, deze aangeslagen toestand is geen pakket energie dat is gekoppeld aan een enkel molecuul. Hildner:"De energie is gedelokaliseerd over verschillende moleculen en het kan, daarom, snel en efficiënt over de vezel bewegen." Deze delokalisatie betekent dat de energie als een golf van het ene molecuul naar het andere beweegt. zonder samenhang, de energie is beperkt tot een enkel molecuul en moet van het ene molecuul naar het andere springen. Dergelijk hoppen is een veel langzamere manier om energie te transporteren.

"In de bundels, coherentie gaat verloren, " legt Hildner uit. Dit wordt veroorzaakt door de spanning die de bundel uitoefent op elke vezel erin. "De vezels worden samengedrukt, en dit zorgt ervoor dat zijgroepen van de moleculen tegen elkaar botsen." Dit verandert het energielandschap. In een enkele vezel, de energie van de aangeslagen toestanden van verschillende naburige moleculen zijn op hetzelfde niveau. In een bundel, de lokale omgevingen van de moleculen verschillen, waardoor er een verschil in energieniveau ontstaat.

Fietstocht

"Stel je voor dat je op een fietstocht bent. Het hoogteprofiel van de tour vertegenwoordigt de energieniveaus in de moleculen waaruit de vezels bestaan, ", zegt Hildner. "Als je in Nederland fietst, je bent snel op je bestemming omdat het terrein vlak is. In tegenstelling tot, in de Alpen, je moet vaak bergop fietsen, wat moeilijk is en je vertraagt." wanneer de energieniveaus van de moleculen in de vezels verschillend zijn, vervoer wordt moeilijker.

Deze ontdekking betekent dat het oorspronkelijke idee van het team - om de efficiëntie van het energietransport te verhogen met behulp van bundels nanovezels - een mislukking bleek te zijn. Echter, ze hebben hier waardevolle lessen uit geleerd, die nu door theoretische fysici kunnen worden gebruikt om te berekenen hoe het transport in moleculaire vezels kan worden geoptimaliseerd. “Mijn collega’s van de Rijksuniversiteit Groningen doen dat momenteel. Maar één ding weten we al:als je goed energietransport in nanovezels wilt, gebruik geen bundels."

Eenvoudige wetenschappelijke samenvatting

Planten en fotosynthetische bacteriën vangen zonlicht op via moleculaire antennes, die vervolgens de energie met minimale verliezen naar een reactiecentrum overdragen. Wetenschappers willen moleculaire draden maken die net zo efficiënt energie kunnen overbrengen. Wetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen maakten minuscule vezels door bepaalde moleculen op elkaar te stapelen. Enkele vezels transporteren energie, hoewel ze soms niet goed werken. Het maken van vezelbundels (zoals bij koperen bedrading gebeurt) leek de oplossing, maar dit bleek niet het geval te zijn. Energie beweegt snel wanneer het over meerdere moleculen wordt verspreid. In enkele vezels, dit werkt goed, maar in gebundelde vezels, dit uitspreiden wordt belemmerd als de moleculen spanning ervaren. Deze resultaten kunnen worden gebruikt om energietransport langs moleculaire draden beter te begrijpen, wat zal helpen bij het ontwerpen van betere draden.