Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wenn sich Dipole querstellen – Neue Theorie zum Energietransfer der Photosynthese gesucht

01.12.2010
Die Photosynthese, also die Erzeugung energiereicher Verbindungen mit Hilfe von Sonnenlicht, ist die Grundlage des Lebens auf der Erde. Der grüne Farbstoff Chlorophyll agiert dabei als Sonnenkollektor der Pflanzen, der die eingefangene Energie verlustfrei zwischen Molekülen und schließlich auf das Photosynthese-Reaktionszentren zur Fixierung als chemische Energie überträgt.

Diesen Vorgang beschreibt die Förster-Theorie. Danach wird die Energie über schwingende elektrische Dipole analog zu Radioantennen weitergegeben, indem sie ihre Nachbarmoleküle ebenfalls elektrisch anregen.

Messungen im Labor des LMU-Chemikers Professor Heinz Langhals in Zusammenarbeit mit der Physik an der LMU widerlegen nun dieses Modell: „Der Energietransfer über Dipole hängt von ihrer Orientierung ab“, sagt Langhals. „Stehen sie senkrecht zueinander, kann kein Transport stattfinden. Wir haben diesen Aspekt nun erstmals experimentell überprüft und dabei festgestellt, dass wider Erwarten trotzdem fast alle Energie in kürzester Zeit übertragen wird.“

Im Rahmen internationaler Kooperationen will das Team nun die experimentelle Grundlage für eine Neufassung der Theorie schaffen, auch für die Entwicklung optischer Computer und verbesserter farbstoffbasierter Solarzellen. (Journal of the American Chemical Society online, 1. Dezember 2010)

Die Chlorophylle und andere Farbstoffmoleküle können großflächige Komplexe bilden, in denen sie Licht effizient einsammeln und weiterleiten, etwa an das Photosynthese-Reaktionszentrum einer Pflanze oder an die leitende Schicht einer Solarzelle. Die Lichtaufnahme selbst findet dabei in bestimmten Atomgruppen der Farbstoffmoleküle statt, den sogenannte Chromophoren. Weil unterschiedliche Chromophore Licht verschiedener Wellenlängen absorbieren, kann ein Verbund mehrerer Farbstoffmoleküle einen sehr großen spektralen Bereich des Lichts verwerten.

Entsprechend wollte das Team um Langhals einen breitbandigen Lichtsammler entwickeln. In einem ersten Schritt sollte die Förster-Theorie zum Energietransfer zwischen Farbstoffen überprüft werden. Sie basiert auf der Vorstellung, dass beim Energietransport schwingende elektrische molekulare Dipole, bei denen elektrische Ladungen getrennt sind, benachbarte Dipole zum Schwingen anregen. Die Ausrichtung spielt hier eine entscheidende Rolle: Stehen die Dipole senkrecht zueinander, wird der benachbarte Dipol nicht angeregt. Sind sie dagegen parallel angeordnet, überträgt sich die Energie.

Zur Überraschung der Forscher zeigten die Messungen an senkrecht ausgerichteten Chromophoren jedoch, dass nahezu 100 Prozent der Energie weitergegeben wird. „Der Prozess ist außerordentlich effizient“, betont Langhals. „Das sehen wir auch an der mit 9,4 Billionstel Sekunden extrem kurzen Reaktionszeit. Die Vorstellung von einem Energietransfer über Dipole ist damit widerlegt. Unsere Ergebnisse deuten eher auf eine niederfrequente Kopplung über Bewegungen im Molekül hin.“ Eine groß angelegte internationale Kooperation soll nun die experimentelle Grundlage für eine Neuformulierung der Theorie schaffen.

Eine Konsequenz dieser Ergebnisse wird sein, dass das sogenannte Molekulare Lineal überdacht und möglicherweise neu justiert werden muss. Dieses Werkzeug wird eingesetzt, um bestimmte biochemische Reaktionen zu testen, und beruht auf einem weiteren Aspekt der Förster-Theorie: Demnach hängt die Übertragungsgeschwindigkeit vom Abstand der Chromophoren ab. Werden Moleküle mit Chromophoren markiert, kann man so ihren Abstand messen und etwa testen, ob Antikörper bestimmte Bindungen eingehen.

In erster Linie aber könnten sich die Untersuchungen – und eine neu formulierte theoretische Grundlage für den Energietransfer bei Farbstoffmolekülen – auf die Photonik auswirken. Ein wichtiges Beispiel sind optische Computer, die Information mit Licht statt mit Strom übertragen. „Deshalb spielt in molekularen optischen Computern auch die Energieübertragung zwischen Farbstoffen eine zentrale Rolle“, sagt Langhals. „Denn dort spielen Farbstoffe die Rolle von Bauelementen, etwa von Transistoren.“ Optische Computer werden derzeit intensiv erforscht, weil sie auf kleinem Platz extrem hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten erreichen könnten. Eine Neufassung der Förster-Theorie könnte zudem dazu beitragen, farbstoffbasierte Solarzellen effizienter zu machen. (CR/suwe)

Publikation:
„Förster Resonant Energy Transfer in Orthogonally Arranged
Chromophores“,
Heinz Langhals, Andreas J. Esterbauer, Andreas
Walter, Eberhard Riedle, and Igor Pugliesi
Journal of the American Chemical Society, 1. Dezember 2010
DOI: 10.1021/ja101544x
Ansprechpartner:
Prof. Dr. Heinz Langhals
Department Chemie
Tel.: 089 / 2180 - 77899
E-Mail: Langhals@lrz.uni-muenchen.de

Luise Dirscherl | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-muenchen.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Neue Perspektiven durch gespiegelte Systeme
05.12.2016 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

nachricht Waschen für die Mikrowelt – Potsdamer Physiker entwickeln lichtempfindliche Seife
02.12.2016 | Universität Potsdam

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Im Focus: Shape matters when light meets atom

Mapping the interaction of a single atom with a single photon may inform design of quantum devices

Have you ever wondered how you see the world? Vision is about photons of light, which are packets of energy, interacting with the atoms or molecules in what...

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Flüssiger Wasserstoff im freien Fall

05.12.2016 | Maschinenbau

Forscher sehen Biomolekülen bei der Arbeit zu

05.12.2016 | Biowissenschaften Chemie

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungsnachrichten