Als er licht op een materiaal valt, zoals een groen blad of het netvlies, bepaalde moleculen transporteren energie en lading. Dit leidt uiteindelijk tot de scheiding van ladingen en de opwekking van elektriciteit. Moleculaire trechters, zogenaamde kegelvormige snijpunten, ervoor te zorgen dat dit transport zeer efficiënt en gericht verloopt.

Een internationaal team van natuurkundigen heeft nu geconstateerd dat zulke conische snijpunten ook zorgen voor een gericht energietransport tussen naburige moleculen van een nanomateriaal. Theoretische simulaties hebben de experimentele resultaten bevestigd. Tot nu, wetenschappers hadden dit fenomeen slechts binnen één molecuul waargenomen. Op de lange termijn, de resultaten kunnen helpen om efficiëntere nanomaterialen voor organische zonnecellen te ontwikkelen, bijvoorbeeld. De studie, onder leiding van Antonietta De Sio, Universiteit van Oldenburg, en Thomas Frauenheim, Universiteit van Bremen, Duitsland, werd gepubliceerd in het huidige nummer van het wetenschappelijke tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

Fotochemische processen spelen een grote rol in de natuur en in de technologie:wanneer moleculen licht absorberen, hun elektronen gaan naar een aangeslagen toestand. Deze overgang zorgt voor extreem snelle moleculaire schakelprocessen. In het menselijk oog, bijvoorbeeld, het molecuul rodopsine roteert op een bepaalde manier nadat het licht heeft geabsorbeerd en veroorzaakt zo uiteindelijk een elektrisch signaal - de meest elementaire stap in het visuele proces.

Eerste experimenteel bewijs voor conische kruispunten tussen moleculen

De reden hiervoor is een speciale eigenschap van rodopsinemoleculen, legt Christoph Lienau uit, hoogleraar ultrasnelle nano-optica aan de Universiteit van Oldenburg en co-auteur van de studie:"Het rotatieproces vindt altijd op een vergelijkbare manier plaats, hoewel er vanuit een kwantummechanisch oogpunt veel verschillende mogelijkheden zijn voor de moleculaire beweging."

Dit komt door het feit dat het molecuul tijdens het rotatieproces door een conisch snijpunt moet gaan, zoals een studie uit 2010 experimenteel aantoonde in visueel pigment:"Dit kwantummechanische mechanisme functioneert als een eenrichtingsstraat in het molecuul:het kanaliseert de energie in een bepaalde richting met een zeer hoge waarschijnlijkheid, " legt Lienau uit.

Het onderzoeksteam onder leiding van Antonietta De Sio, senior wetenschapper in de onderzoeksgroep Ultrafast Nano-optics aan de Universiteit van Oldenburg, en Thomas Frauenheim, hoogleraar Computational Materials Science aan de Universiteit van Bremen, heeft nu zo'n eenrichtingsverkeer voor elektronen in een nanomateriaal waargenomen. Het materiaal is gesynthetiseerd door collega's van de Universiteit van Ulm, Duitsland, en wordt al gebruikt in efficiënte organische zonnecelapparaten.

"Wat onze resultaten speciaal maakt, is dat we voor het eerst experimenteel conische snijpunten tussen naburige moleculen hebben aangetoond, " legt De Sio uit. Tot nu toe, natuurkundigen over de hele wereld hadden het kwantummechanische fenomeen alleen binnen een enkel molecuul waargenomen en speculeerden alleen dat er ook conische kruispunten zouden kunnen zijn tussen moleculen die naast elkaar liggen.

Theoretische berekeningen ondersteunen experimentele gegevens

Het team van De Sio heeft deze eenrichtingsstraat voor elektronen ontdekt met behulp van ultrasnelle laserspectroscopie:de wetenschappers bestralen het materiaal met laserpulsen van slechts enkele femtoseconden. Een femtoseconde is een miljoenste van een miljardste van een seconde. De methode stelt de onderzoekers in staat om een ​​soort film te maken van de processen die plaatsvinden direct nadat het licht het materiaal bereikt. De groep kon observeren hoe elektronen en atoomkernen door het kegelvormige snijpunt bewogen.

De onderzoekers ontdekten dat een bijzonder sterke koppeling tussen de elektronen en specifieke nucleaire trillingen helpt om energie van het ene molecuul naar het andere over te dragen alsof het een eenrichtingsstraat is. Dit is precies wat er gebeurt in de kegelvormige snijpunten. "In het materiaal dat we bestudeerden, het duurde slechts ongeveer 40 femtoseconden tussen de allereerste optische excitatie en de passage door het conische snijpunt, ', zegt De Sio.

Om hun experimentele waarnemingen te bevestigen, de onderzoekers uit Oldenburg en Bremen werkten ook samen met theoretisch natuurkundigen van het Los Alamos National Laboratory, New Mexico, ONS., en CNR-Nano, Modena, Italië. "Met hun berekeningen, ze hebben duidelijk aangetoond dat we onze experimentele gegevens correct hebben geïnterpreteerd, ", legt De Sio uit.

Het exacte effect van deze kwantummechanische eenrichtingsstraten op toekomstige toepassingen van moleculaire nanostructuren kunnen de Oldenburgse onderzoekers nog niet tot in detail inschatten. Echter, op de lange termijn kunnen de nieuwe bevindingen helpen bij het ontwerpen van nieuwe nanomaterialen voor organische zonnecellen of opto-elektronische apparaten met verbeterde efficiëntie, of om kunstmatige ogen te ontwikkelen uit nanostructuren.