Wetenschappers werken doorgaans het liefst met geordende systemen. Echter, een divers team van natuurkundigen en biofysici van de Rijksuniversiteit Groningen ontdekte dat individuele licht-oogstende nanobuisjes met ongeordende moleculaire structuren nog steeds lichtenergie op dezelfde manier transporteren. Door spectroscopie te combineren, moleculaire dynamische simulaties en theoretische fysica, ze ontdekten hoe wanorde op moleculair niveau effectief wordt uitgemiddeld op microscopische schaal. De resultaten zijn op 28 september gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

De dubbelwandige licht-oogstende nanobuisjes assembleren zichzelf uit moleculaire bouwstenen. Ze zijn geïnspireerd op het meerwandige buisvormige antennenetwerk van fotosynthetische bacteriën in de natuur. De nanobuisjes absorberen en transporteren lichtenergie, al was niet helemaal duidelijk hoe. "De nanobuisjes hebben vergelijkbare afmetingen, maar ze zijn allemaal verschillend op moleculair niveau met de moleculen op een ongeordende manier gerangschikt, " legt Maxim Pshenichnikov uit, Hoogleraar Ultrasnelle Spectroscopie aan de Rijksuniversiteit Groningen.

Single-molecuul

Björn Kriete, een doctoraat student in de groep van Pshenichnikov, gebruikten spectroscopie om te meten hoe lichtoogstsystemen, elk bestaande uit een dubbelwandige nanobuis van enkele duizenden moleculen, gedroeg zich. "We hebben ongeveer vijftig van deze systemen onderzocht en ontdekten dat ze zeer vergelijkbare optische eigenschappen hadden, ondanks significante verschillen op moleculair niveau." Het meten van individuele lichtoogstsystemen vereist het gebruik van de nieuwste single-molecule spectroscopietechnieken. Eerdere studies keken alleen naar bulkmateriaal dat miljoenen van deze systemen bevat.

Dus, hoe kan wanorde op moleculair niveau worden verzoend met de zeer geordende reacties van individuele systemen op licht? Om deze vraag te beantwoorden, Pshenichnikov kreeg hulp van zowel de groep Molecular Dynamics als de groep Theoretical Physics van de Rijksuniversiteit Groningen. Postdoctoraal onderzoekers Riccardo Alessandri en Anna Bondarenko waren verantwoordelijk voor het simuleren van het nanobuissysteem in oplossing. "Het was een hele uitdaging om een ​​systeem met duizenden moleculen te simuleren, proberen de stoornis op een efficiënte manier te berekenen, " legt Alessandri uit. Over het algemeen de simulatie bevatte ongeveer 4,5 miljoen atomen.

Stemvorken

Uiteindelijk, de simulatie onthulde een groter beeld dat in overeenstemming was met de experimentele resultaten verkregen door Pshenichnikov, maar het onthulde ook extra moleculair detail. Dit hielp Jasper Knoester, hoogleraar theoretische fysica, om alle punten te verbinden. Hij herkende een patroon in de data dat 'uitwisselingsvernauwing' wordt genoemd. Dit effect is verantwoordelijk voor het uitmiddelen van kleine verschillen op moleculair niveau. Je kunt het vergelijken met het klassieke experiment met stemvorken waarbij een trilling in één vork kan overgaan op een tweede vork als deze is afgestemd op ongeveer dezelfde frequentie, ’ legt Knoester uit.

De energie die wordt geoogst door de lichtgevoelige systemen wordt getransporteerd in de vorm van excitonen, die kwantummechanische golffuncties zijn, vergelijkbaar met trillingen. Elke exciton spreidt zich uit over 100 tot 1, 000 moleculen. zegt Pshenichnikov, "Deze moleculen zijn niet geordend, maar ze zijn met elkaar verbonden via dipool-dipoolkoppeling." Door deze koppeling kunnen de moleculen waaruit de nanobuisjes bestaan, samen trillen. Kleine verschillen tussen hen worden gemiddeld, wat resulteert in lichtoogstsystemen met vergelijkbare optische eigenschappen.

Metselaar

Het is nu duidelijk hoe geordend optisch gedrag kan ontstaan ​​uit een ongeordende moleculaire structuur. De link tussen de moleculen is essentieel. Pshenichnikov stelt, "Denk aan een slecht opgeleide metselaar, die gewoon stenen in een bepaald patroon samenvoegt. Als ze goed aan elkaar vast zitten, je houdt toch een sterke muur over." Voor de nanobuisjes, dit betekent dat een zekere mate van wanorde heel acceptabel is in deze lichtoogstsystemen. "Ik geloof dat de implicaties nog groter zijn, ", zegt Pshenichnikov. "De volgende stap is om te onderzoeken hoe deze eigenschappen kunnen ontstaan ​​in systemen en deze te gebruiken bij het ontwerpen en creëren van nieuwe functionele materialen."