Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Schneller Energietransport zwischen ungleichen Partnern

29.09.2016

Chemiker der Universität Würzburg haben unterschiedliche Farbstoffmoleküle miteinander zu Aggregaten vereint und dabei überraschende Eigenschaften entdeckt. Ihre Entdeckung könnte dazu beitragen, Sonnenlicht für die Energiegewinnung noch effektiver zu nutzen.

Pflanzen nutzen Ansammlungen von Farbstoffmolekülen, sogenannte Lichtsammelkomplexe, um Sonnenlicht einzufangen und mittels Photosynthese aus Wasser (H2O) und Kohlenstoffdioxid (CO2) energiereiche organische Verbindungen und Sauerstoff (O2) zu erzeugen.


Abbildung der Kristallstruktur des Hetero-Aggregats, bestehend aus vier Merocyanin-Chromophoren.

Grafik: David Bialas

Dafür müssen sie die durch Lichtabsorption gewonnene Energie über zahlreiche Farbstoffmoleküle zu den photosynthetischen Reaktionszentren transportieren. Einzelne Farbstoff-Einheiten, sogenannte Chromophore, sollen den effizienten Energietransfer gewährleisten und werden dazu durch die umgebende Proteinhülle in räumlicher Nähe gehalten.

Zwei Kugeln, die über eine Feder verbunden sind

Die Absorptionseigenschaften dieser Lichtsammelkomplexe unterscheiden sich von den Eigenschaften der einzelnen Farbstoffmoleküle deutlich. Verantwortlich dafür ist die sogenannte exzitonische Kopplung zwischen den Farbstoffmolekülen. Veranschaulichen lässt sich die Kopplung mit zwei am Faden hängenden Kugeln, die über eine Feder miteinander verbunden sind. Wird eine Kugel aus ihrer Ruhelage ausgelenkt, hat dies auch Auswirkung auf die zweite Kugel. Auf molekularer Ebene entspricht die Auslenkung der Kugel der Anregung eines Moleküls durch die Absorption von Licht.

Für Systeme mit gleichen Farbstoffmolekülen (Homo-Aggregate) ist dieses Phänomen gut erforscht. Dagegen ist wenig über die Kopplung zwischen unterschiedlichen Chromophoren bekannt. Neue Erkenntnisse dazu kommen jetzt aus der Arbeitsgruppe unter Leitung von Professor Frank Würthner, Inhaber des Lehrstuhls für Organische Chemie II an der Universität Würzburg und Leiter des Zentrums für Nanosystemchemie. Darüber berichtet die multidisziplinäre Zeitschrift Nature Communications in ihrer Online-Ausgabe.

Viererstapel aus Farbstoffmolekülen

Die Untersuchung der Kopplung zwischen Farbstoffmolekülen erfordert Aggregate, in denen die genaue Orientierung der Farbstoffeinheiten bekannt ist. Den Mitarbeitern von Professor Würthner ist es nun gelungen, entsprechende Aggregate in Form von Stapeln aus vier Chromophoren darzustellen. Dazu bedienten sie sich der Farbstoffklasse der Merocyanine, die aufgrund ihrer stark dipolaren Eigenschaft wohl definierte Aggregate bilden. „Durch die chemische Verknüpfung zweier gleicher Merocyanin-Chromophore über eine Naphthalin-Einheit konnten wir ein Molekül erzeugen, das in Lösung dimerisiert und auf diese Weise Stapel aus vier gleichen Chromophoren formt“, erklärt David Bialas, Doktorand am Lehrstuhl von Frank Würthner und Autor der Studie.

Anschließend gingen die Forscher noch einen Schritt weiter: Sie verknüpften zwei unterschiedliche Merocyanin-Chromophore mit jeweils unterschiedlichen Absorptionseigenschaften, um entsprechende Hetero-Aggregate, also Viererstapel mit unterschiedlichen Chromophoren, zu erhalten.

„Die Struktur der Farbstoffstapel konnten wir mit Hilfe der Kernspinresonanz-Spektroskopie in Lösung aufklären“, berichtet Eva Kirchner, die ebenfalls am Lehrstuhl promoviert und am Projekt beteiligt war. Einen eindeutigen Beweis für die Existenz der Viererstapel lieferte schließlich die Röntgenstrukturanalyse. Dafür musste das Team geeignete Kristalle „züchten“, was für Farbstoffaggregate nur sehr selten gelingt.

Unerwartete Absorptionseigenschaften

Die spektroskopische Untersuchung der Absorptionseigenschaften ergab Unerwartetes. „Die Ergebnisse weisen nicht nur für das Homoaggregat auf eine exzitonische Kopplung zwischen den Farbstoffmolekülen hin, sondern auch für das Heteroaggregat“, erklärt Bialas. Quantenmechanische Rechnungen bestätigten schließlich eine starke exzitonische Kopplung auch zwischen den unterschiedlichen Farbstoffmolekülen im Hetero-Aggregat. „Das widerspricht der weitläufigen Meinung, dass starke Kopplungen nur zwischen gleichen Chromophoren möglich sind“, so der Wissenschaftler.

Schneller Energietransfer

Exzitonische Kopplung hat aber nicht nur Einfluss auf das Absorptionsverhalten der Farbstoff-Aggregate, sondern deutet auch auf einen schnellen Energietransfer zwischen den Molekülen hin. Dies könnten sich Forscher in Zukunft zunutze machen, um Sonnenlicht effektiv zu nutzen. Denn die Verwendung unterschiedlicher Farbstoffmoleküle ermöglicht es, ein breites Absorptionsspektrum des Sonnenlichts abzudecken und so möglichst viel Energie einzufangen und diese beispielsweise in Strom oder chemische Energie umzuwandeln.

Structural and quantum chemical analysis of exciton coupling in homo- and heteroaggregate stacks of merocyanines. David Bialas, André Zitzler-Kunkel, Eva Kirchner, David Schmidt & Frank Würthner, Nature Communications, DOI:10.1038/ncomms12949

Kontakt

Prof. Dr. Frank Würthner, Institut für Organische Chemie der Universität Würzburg und Zentrum für Nanosystemchemie, T: (0931) 31-85340, wuerthner@chemie.uni-wuerzburg.de

Gunnar Bartsch | Julius-Maximilians-Universität Würzburg
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Eine Karte der Zellkraftwerke
18.08.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

nachricht Chronische Infektionen aushebeln: Ein neuer Wirkstoff auf dem Weg in die Entwicklung
18.08.2017 | Deutsches Zentrum für Infektionsforschung

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

European Conference on Eye Movements: Internationale Tagung an der Bergischen Universität Wuppertal

18.08.2017 | Veranstaltungen

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Eine Karte der Zellkraftwerke

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Chronische Infektionen aushebeln: Ein neuer Wirkstoff auf dem Weg in die Entwicklung

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Computer mit Köpfchen

18.08.2017 | Informationstechnologie