Forskare från universitetet i Groningen (Nederländerna) och universitetet i Würzburg (Tyskland) har undersökt ett enkelt biomimetiskt ljusskördssystem med hjälp av avancerad spektroskopi kombinerad med en mikrofluidisk plattform. De dubbelväggiga nanorören fungerar mycket effektivt vid låga ljusintensiteter, medan de kan bli av med överskottsenergi vid höga intensiteter. Dessa egenskaper är användbara vid utformningen av nya material för skörd och transport av fotonenergi. Resultaten publicerades i tidningen Naturkommunikation den 10 oktober.

Den naturliga fotosyntetiska komplexens anmärkningsvärda förmåga att effektivt utnyttja solljus - även i mörka miljöer - har väckt ett stort intresse för att dechiffrera deras funktionalitet. Att förstå energitransport på nanoskala är nyckeln för en rad potentiella applikationer inom opto-elektronik. Den överväldigande komplexiteten hos naturliga fotosyntetiska system, bestående av många hierarkiskt arrangerade underenheter, fick forskare att rikta uppmärksamheten mot biomimetiska analoger, som är strukturerade som sina naturliga motsvarigheter men lättare kan kontrolleras.

Ligh-skördande molekyler

Gruppen Optical Condensed Matter Science och Theory of Condensed Matter (båda vid Zernike Institute for Advanced Materials, University of Groningen) har gått samman med kollegor från University of Würzburg (Tyskland) för att få en övergripande bild av energitransport i ett konstgjord komplex för skörd av ljus. De använde ett nytt spektroskopiskt lab-on-a-chip-tillvägagångssätt, som kombinerar avancerad tidsupplöst flerdimensionell spektroskopi, mikrofluidik, och omfattande teoretisk modellering.

Forskarna undersökte en artificiell ljusskördare, inspirerad av det flerväggiga rörformade antennätverket av fotosyntetiska bakterier som finns i naturen. Den biomimetiska enheten består av nanorör gjorda av ljusskördande molekyler, självmonterad i ett dubbelväggigt nanorör. "Dock, även detta system är ganska komplext, "förklarar Maxim Pshenichnikov, professor i ultrasnabb spektroskopi vid universitetet i Groningen. Hans grupp utarbetade ett mikrofluidiskt system, i vilken rörets yttervägg selektivt kan lösas upp och, Således, avstängd. "Det här är inte stabilt, men i flödessystemet, det kan studeras. "På detta sätt, forskarna kunde studera både innerröret och hela systemet.

Anpassning

Vid låg ljusintensitet, systemet absorberar fotoner i båda väggarna, skapa excitationer eller excitoner. "På grund av väggarnas olika storlekar, de absorberar fotoner med olika våglängder, "Pshenichnikov förklarar." Detta ökar effektiviteten. "Vid hög ljusintensitet, ett stort antal fotoner absorberas, skapa ett stort antal excitoner. "Vi såg att när två excitoner möts, en av dem upphör faktiskt att existera. "Denna effekt fungerar som en slags säkerhetsventil, eftersom ett stort antal excitoner kan skada nanorören.

Således, forskarna visade också att det dubbelväggiga molekylära nanoröret kan anpassa sig till förändrade belysningsförhållanden. De efterliknar de väsentliga funktionella elementen i naturens designverktygslåda vid svagt ljus genom att fungera som mycket känsliga antenner men bli av med överskottsenergi vid höga intensiteter när det är för mycket ljus - en situation som normalt inte skulle inträffa i naturen. Båda dessa egenskaper banar väg för bättre kontroll av transporten av energi genom komplexa molekylära material.