"Vad vi ser här är energiöverföring som är mycket snabbare än i någon halvledare, " säger Jakob Heier. Fysikern arbetar i Empas lab för funktionella polymerer, och upptäckten han har gjort med sitt team kan orsaka uppståndelse på många områden – som sensorteknik, optisk dataöverföring eller tillverkning av organiska solceller. Vi talar om öar av färgämnesmolekyler med en perfekt, intern struktur. Bland experter, sådana strukturer kallas J-aggregat. Även om de har varit kända i mer än 80 år, de väckte nyligen förnyad uppmärksamhet inom forskningen. Detta beror på det speciella elektroniska inre livet hos dessa färgöar.

För att förstå vad Heier och hans kollegor har hittat, en kort utflykt till färgämnenas värld är till hjälp:om ett färgämne ska glöda, molekylen måste först aktiveras med ljus. Optiska vitmedel i tvättmedel, till exempel, absorberar UV-ljus och avger blåaktigt (synligt) ljus – det är därför vita plagg lyser så starkt i UV-ljuset från en klubba. Det utsända ljuset har lägre energi än ljuset som används för att aktivera färgämnet, eftersom en del av energin omvandlas till vibrationer, dvs värme, i färgämnesmolekylen.

Molekyler som energiantenner

J-aggregaten studerade av Heier och Empa Ph.D. elev Surendra Anantharaman beter sig annorlunda än enskilda färgämnesmolekyler. På dessa molekylära öar, färgämnesmolekylerna är välordnade och mycket nära varandra, ungefär som tändstickor i en låda. I denna konstellation, färgämnesmolekylen "måste" inte glöda, men "kan" föra över sin energi till en närliggande molekyl.

Jämfört med klassiska halvledare gjorda av kisel, det finns en avgörande skillnad, dock:I en kiselhalvledare, som en solcell, excitationsenergin transporteras via laddningsbärare, till exempel elektroner, som "hoppar" igenom materialet, så att säga. I J-aggregat, å andra sidan, elektronerna pendlar bara fram och tillbaka i färgämnesmolekylen och lämnar den aldrig. Istället för elektroner, endast oscillationer sänds - liknande sändnings- och mottagningsantenner i den makroskopiska världen. Faktiskt, J-aggregat kan "sända" energi i den minsta skalan - extremt snabbt och över hundratals molekyler.

Höga förluster i 80 år

Fenomenet J-aggregat och deras speciella energiöverföring upptäcktes första gången redan 1936 av Edwin E. Jelley i USA och Günter Scheibe i Tyskland. Men hittills, cirka 95 procent av den utstrålade energin gick förlorad och kunde inte överföras. "Konstruktionsfel" i systemet var skyldiga. I verkligheten, molekylerna var inte så perfekt inriktade. Och närhelst energipulsen stötte på en av dessa defekter under sin resa genom J-aggregatet, energitransporten avbröts. En vanlig molekylär vibration avslutade överföringen, lite värme genererades, och spelet var över.

Den perfekta antennskogen

Empa-teamet, med stöd av forskare från ETH Zürich, EPF Lausanne, PSI och IBM Research Zürich, har nu lyckats utveckla ett färgsystem, där upp till 60 procent av det inkommande ljuset återutsänds. Detta innebär också att upp till 60 procent av energin kan överföras utan förlust—jämfört med tidigare fem procent, det här är en sensation. Nyckeln till framgång var perfekt konstruerade färgöar som hade skapats i en fin emulsion av vatten och hexylamin. En emulsion är en blandning av vätskedroppar i en annan vätska - mjölk eller majonnäs är emulsioner som alla känner till.

Empa-forskarna observerade att inte vilken emulsion som helst skulle göra jobbet:det måste vara en så kallad bikontinuerlig emulsion, vilket innebär att de droppar som är suspenderade i den yttre vätskan inte får vara på avstånd från varandra, men måste ha kombinerats för att bilda streckliknande strukturer. Först då bildar färgämnet som undersöks de önskade defektfria J-aggregaten och kan "sända" den absorberade energin över långa avstånd utan förlust. Således, färgämnesmolekyler radas upp i en bikontinuerlig emulsion - liknande tändstickor i en låda. Först då lyckas signalöverföringen.

Misslyckanden är en del av spelet

Studien som nu har publicerats nämner också – i god vetenskaplig tradition – de misslyckade försöken och historien bakom det framgångsrika experimentet. Trots allt, kemister och fysiker över hela världen borde kunna bygga vidare på erfarenheten från Empa-teamet. Till exempel, det var inte möjligt att kristallisera färgämnet i form av tunna filmer på en fast yta. För många defekter i kristallerna förstörde överföringen. Vattenlösningar, där färgämnet aggregerar till små droppar, likaså fungerar inte. Endast bikontinuerliga emulsioner leder till signalöverföring - och endast om det finns enskilda färgämnesmolekyler kvar i en flytande fas som kan fylla hål och stänga luckor i J-aggregaten - med andra ord, som kan reparera defekter.

Forskarna har förvisso fortfarande en lång väg kvar att gå innan det de nu har uppnått i en emulsion kan göras tekniskt användbart. Men signalöverföring genom färgämnen skulle kunna penetrera många områden i vardagen. Till exempel, det är möjligt att fånga svagt infrarött ljus med hjälp av dessa färgämnen och omvandla det till digitala signaler med hjälp av kvantpunkter – en fördel för sensorteknik och solceller, som ska ge el även i mycket svagt ljus. På grund av deras unika egenskaper, J-aggregat lämpar sig också för tillämpningar i kvantdatorer och optisk dataöverföring.

Till sist, de signalledande färgämnesaggregaten kan bli användbara vid diagnostik i levande vävnad:infrarött ljus, eller termisk strålning, tränger djupt in i mänsklig vävnad utan att skada celler. J-aggregat skulle kunna göra denna strålning synlig och digitalisera den. Detta kan avsevärt underlätta och förbättra högupplöst mikroskopavbildning av levande vävnad.