Forskare föredrar vanligtvis att arbeta med ordnade system. Dock, ett mångsidigt team av fysiker och biofysiker från universitetet i Groningen fann att individuella ljusskördande nanorör med oordnade molekylära strukturer fortfarande transporterar ljusenergi på samma sätt. Genom att kombinera spektroskopi, molekylär dynamik simuleringar och teoretisk fysik, de upptäckte hur oordning på molekylär nivå effektivt medelvärdes ut i mikroskopisk skala. Resultaten publicerades den 28 september i Journal of the American Chemical Society .

De dubbelväggiga ljusskördande nanorören monteras själv av molekylära byggstenar. De är inspirerade av det flerväggiga rörformiga antennnätverket av fotosyntetiska bakterier som finns i naturen. Nanorören absorberar och transporterar ljusenergi, även om det inte var helt klart hur. "Nanorören har liknande storlekar men de är alla olika på molekylär nivå med molekylerna ordnade på ett oordnat sätt, " förklarar Maxim Pshenichnikov, Professor i ultrasnabb spektroskopi vid universitetet i Groningen.

En molekyl

Björn Kriete, en Ph.D. student i Pshenichnikovs grupp, använde spektroskopi för att mäta hur ljusinsamlingssystem, var och en består av ett dubbelväggigt nanorör som består av några tusen molekyler, uppförde sig. "Vi undersökte ett femtiotal av dessa system och fann att de hade mycket liknande optiska egenskaper trots att de visade betydande skillnader på molekylär nivå." Mätning av individuella ljusupptagningssystem kräver användning av de senaste teknikerna för enmolekylspektroskopi. Tidigare studier tittade bara på bulkmaterial som innehåller miljontals av dessa system.

Så, hur kan oordning på molekylär nivå förenas med individuella systems mycket ordnade reaktioner på ljus? För att svara på denna fråga, Pshenichnikov fick hjälp från både Molecular Dynamics-gruppen och Theoretical Physics-gruppen vid universitetet i Groningen. Postdoktorala forskarna Riccardo Alessandri och Anna Bondarenko ansvarade för att simulera nanorörssystemet i lösning. "Det var en ganska utmaning att simulera ett system med tusentals molekyler, att försöka beräkna störningen på ett effektivt sätt, " förklarar Alessandri. Sammantaget, simuleringen innehöll cirka 4,5 miljoner atomer.

Stämgafflar

I slutet, simuleringen avslöjade en större bild som överensstämde med de experimentella resultaten som Pshenichnikov erhöll, men det avslöjade också ytterligare molekylära detaljer. Detta hjälpte Jasper Knoester, professor i teoretisk fysik, för att koppla ihop alla prickar. Han kände igen ett mönster i data som kallas "växlingsavsmalnande". Denna effekt är ansvarig för att utjämna små skillnader på molekylär nivå. "Du kan jämföra det med det klassiska experimentet med stämgafflar där en vibration i en gaffel kan överföras till en andra gaffel om den är inställd på ungefär samma frekvens, " förklarar Knoester.

Energin som skördas av de ljuskänsliga systemen transporteras i form av excitoner, som är kvantmekaniska vågfunktioner, jämförbar med vibrationer. Varje exciton sprider sig över 100 till 1, 000 molekyler. Säger Pshenichnikov, "Dessa molekyler är inte beställda, men de är länkade genom dipol-dipolkoppling." Denna koppling gör att molekylerna som utgör nanorören kan vibrera tillsammans. Mindre skillnader mellan dem beräknas i medeltal, vilket resulterar i ljusskördande system som har liknande optiska egenskaper.

Murare

Det är nu klart hur ordnat optiskt beteende kan uppstå från en oordnad molekylstruktur. Länken mellan molekylerna är avgörande. Pshenichnikov säger, "Tänk på en dåligt utbildad murare, som bara sätter ihop tegelstenar i inget speciellt mönster. Om de är cementerade till varandra väl, du slutar fortfarande med en stark vägg." För nanorören, detta betyder att en viss oordning är helt acceptabel i dessa ljusupptagningssystem. "Jag tror att konsekvenserna är ännu bredare, " säger Pshenichnikov. "Nästa steg är att undersöka hur dessa egenskaper kan dyka upp i system och använda dessa i design och skapande av nya funktionella material."