Växter och bakterier kan fånga energin från solljus med ljusupptagningsantenner och överföra den till ett reaktionscenter. Att transportera energi effektivt och målinriktat på ett minimum av utrymme är också av intresse för ingenjörer. Om de skulle bemästra lika väl som mikroorganismer, de skulle kunna förbättra solceller och optoelektronik avsevärt.

Men hur kan energiflödet observeras? Tobias Brixners grupp vid Institutet för fysisk och teoretisk kemi vid Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg i Bayern, Tyskland, överväger detta problem.

I journalen Naturkommunikation , teamet presenterar nu två nya spektroskopiska metoder med vilka energitransport på nanoskala kan observeras. Enligt JMU-professorn, de nya rönen ger värdefull information för utformningen av artificiella ljusupptagningsantenner.

Dessa forskningsframgångar uppnåddes i samarbete med arbetsgrupperna för Christoph Lambert och Todd Marder (JMU Würzburg), Uwe Bunz och Andreas Dreuw (Universitetet i Heidelberg) samt Jasper Knoester och Maxim Pshenichnikov (Universitetet i Groningen, Nederländerna).

Nanorör imiterar naturen

Med de nya metoderna, forskarteamen har lyckats dechiffrera energitransporten i dubbelväggiga nanorör som består av tusentals färgämnesmolekyler. Dessa små rör fungerar som modeller för ljusupptagningsantenner för fotosyntetiskt aktiva bakterier.

Vid låg ljusintensitet, de energiska excitationerna transporteras från den yttre till den inre väggen av rören. Vid höga intensiteter, å andra sidan, excitationerna rör sig bara längs ytterväggen - om två excitationer möts där, en av dem försvinner. "Denna effekt, som har varit känt sedan en tid tillbaka, kan göras direkt synlig med vår metod för första gången, säger Brixner.

Mätningarna utfördes genom att kombinera en teknik som kallas exciton-exciton-interaktion-tvådimensionell spektroskopi (EEI2D-spektroskopi), som utvecklades i Brixner-gruppen med ett mikrofluidiskt arrangemang av Groningen-gruppen.

I den andra tidningen, forskarteamen visar också en ny metod för att mäta energiflöden. Höjdpunkten:Hastigheten för dataregistreringen var mycket snabbare än för de senaste metoderna. På bara åtta minuter det var möjligt att mäta upp till 15 3D-spektra samtidigt i ett enda experiment. Traditionella metoder, å andra sidan, kräver vanligtvis flera timmar för endast ett enda spektrum.

Som en grund för att mäta koherenta spektra över tre frekvensdimensioner, forskarna använde en snabb metod för att variera den tidsmässiga sekvensen av ultrakorta laserpulser. "Utvidgningen från 2-D till 3-D frekvensanalys och ökningen av antalet ljus-materia-interaktioner från de fyra vanliga i litteraturen till sex ger nu detaljerade insikter om dynamiken i starkt exciterade tillstånd, säger Brixner.