Fotosyntetiska system i naturen transporterar energi mycket effektivt mot ett reaktionscentrum, där det omvandlas till en användbar form för växten. Forskare har använt detta som inspiration för att lära sig att transportera energi effektivt inom molekylär elektronik och annan teknik. Fysikern Richard Hildner från universitetet i Groningen och hans kollegor har undersökt energitransport i ett konstgjort system tillverkat av nanofibrer. Resultaten publicerades i Journal of the American Chemical Society .

"Naturliga fotosyntetiska system har optimerats av miljarder år av utveckling. Vi har funnit detta mycket svårt att kopiera i artificiella system, " förklarar Hildner, docent vid universitetet i Groningen. I de lättskördande komplexen av bakterier eller växter, ljus omvandlas till energi, som sedan transporteras till reaktionscentret med minimala förluster.

Buntar

Fem år sedan, Hildner och hans kollegor utvecklade ett system där skivformade molekyler staplades i nanofibrer med längder över 4 mikrometer och en diameter på bara 0,005 mikrometer. Som jämförelse, diametern på ett människohår är 50 till 100 mikrometer. Detta system kan transportera energi som antennerna i fotosyntetiska system. "Men vi såg ibland att energitransporten fastnade mitt i våra fyra mikrometerlånga fibrer. Något i systemet verkade vara instabilt, " minns han.

För att förbättra energitransporteffektiviteten, Hildner och hans kollegor skapade buntar med nanofibrer. "Detta är samma idé som den som används i vanlig elektronik:mycket tunna koppartrådar buntas ihop för att skapa en mer robust kabel." Dock, de buntade nanofibrerna visade sig vara sämre på att transportera energi än enstaka fibrer.

Sammanhang

Anledningen är ett fenomen som kallas koherens. När energi sätts in i molekylerna som utgör fibrerna, det skapar ett exciterat tillstånd eller exciton. Dock, detta upphetsade tillstånd är inte ett energipaket som är associerat med en enda molekyl. Hildner:"Energin delokaliseras över flera molekyler och den kan, därför, rör sig snabbt och effektivt över fibern." Denna delokalisering innebär att energin rör sig som en våg från en molekyl till nästa. Däremot utan sammanhang, energin är begränsad till en enda molekyl och måste hoppa från en molekyl till nästa. Sådan hoppning är ett mycket långsammare sätt att transportera energi.

"I buntarna, sammanhållningen går förlorad, " förklarar Hildner. Detta orsakas av belastningen som bunten utsätter för varje fiber i den. "Fibrerna komprimeras, och detta gör att sidgrupper av molekylerna kraschar in i varandra. "Detta förändrar energilandskapet. I en enda fiber, energin i de exciterade tillstånden för flera närliggande molekyler är på samma nivå. I en bunt, molekylernas lokala miljöer skiljer sig åt, leder till skillnader i energinivåer.

Cykeltur

"Tänk dig att du är på en cykeltur. Turens höjdprofil representerar energinivåerna i molekylerna som utgör fibrerna, " säger Hildner. "Om du cyklar i Nederländerna, du kommer snabbt fram till din destination eftersom terrängen är platt. I kontrast, i Alperna, du måste cykla uppför ganska ofta, vilket är tufft och saktar ner dig." Alltså, när molekylernas energinivåer i fibrerna är olika, transporter blir svårare.

Denna upptäckt betyder att teamets ursprungliga idé – att öka energitransporteffektiviteten med hjälp av buntar av nanofibrer – visade sig vara ett misslyckande. Dock, de har lärt sig värdefulla lärdomar av detta, som nu kan användas av teoretiska fysiker för att beräkna hur man kan optimera transporten i molekylfibrer. "Mina kollegor vid universitetet i Groningen gör just det just nu. Men vi vet redan en sak:Om du vill ha bra energitransport i nanofibrer, använd inte buntar. "

Enkel vetenskapssammanfattning

Växter och fotosyntetiska bakterier fångar solljus via molekylära antenner, som sedan överför energin till ett reaktionscentrum med minimala förluster. Forskare skulle vilja göra molekylära trådar som kan överföra energi lika effektivt. Forskare vid universitetet i Groningen skapade små fibrer genom att stapla ihop vissa molekyler. Enfibrer transporterar energi, även om de ibland inte fungerar. Att skapa buntar av fibrer (som man gör med kopparledningar) ansågs vara lösningen men så visade sig inte vara fallet. Energi rör sig snabbt när den sprids ut över flera molekyler. I enstaka fibrer, detta fungerar bra men i buntade fibrer, denna spridning försvåras eftersom molekylerna upplever belastning. Dessa resultat kan användas för att bättre förstå energitransport längs molekylära ledningar, vilket kommer att hjälpa till med utformningen av bättre ledningar.