Stromproduzenten im Nanometerbereich

Radioantennen – diese langen, dünnen Stangen aus Metall, die jeder von seinem Küchenradio kennt – sammeln elektromagnetische Radiowellen aus der Umgebung ein, wandeln sie um in elektrische Spannung, verstärken diese und machen so das Signal, das ein Sender ausstrahlt, hörbar.

Das gleiche Prinzip wollen jetzt der Chemiker Professor Frank Würthner und der Physiker Professor Bert Hecht nutzen, um aus Licht Strom zu produzieren – allerdings in deutlich kleinerem Maßstab. Ihre Antenne soll gerade mal 100 Nanometer lang und 20 Nanometer dick sein. Ein Nanometer, das ist der millionste Teil eines Millimeters.

„Unsere Antennen bestehen aus zwei nanometergroßen Goldstäbchen, deren Enden sich fast berühren“, erklärt Bert Hecht, Professor am Lehrstuhl für Experimentelle Physik 5 der Universität Würzburg. Zwischen diese Enden platzieren die Wissenschaftler Farbstoffdyaden-Moleküle, die besondere Eigenschaften besitzen: „Diese Moleküle können an Gold andocken und unter Beleuchtung Ladungen trennen, indem ihre Untereinheiten Elektronen abgeben, beziehungsweise aufnehmen“, sagt Frank Würthner, Inhaber des Lehrstuhls für Organische Chemie 2. Oder, vereinfacht formuliert: Die Moleküle produzieren Strom, wenn sie von Licht angeregt werden und zuvor auf entsprechenden Elektroden platziert wurden.

Fachwissen aus verschiedenen Fakultäten

Der komplexe Aufbau der Nano-Antennen ist verantwortlich dafür, dass Physiker und Chemiker gemeinsam daran arbeiten: „Wir Physiker wissen, wie man die Goldstäbchen dimensionieren und zu Antenne anordnen muss. Und die Chemiker besitzen das Know-how, die Stäbchen wachsen zu lassen und geeignete Moleküle zu synthetisieren“, sagt Hecht. Wenn alles wie geplant funktioniert, haben Hecht und Würthner am Ende eine winzig kleine Photovoltaikanlage gebaut, die allerdings extrem effizient arbeitet. Die Antenne sammelt Licht aus einem – bezogen auf ihre Fläche – relativ großen Bereich ein und konzentriert es auf wenige Moleküle, die daraus dann Strom produzieren.

Langfristiges Ziel soll es sein, viele Nano-Antennen auf einem Gitter anzuordnen. Damit ließe sich dann beispielsweise Licht eines bestimmten Wellenlängenbereichs sammeln – so, wie die Radioantenne ebenfalls nur die Radiowellen einer bestimmten Frequenz aufgreift. „Man bekäme eine Solarzelle mit steuerbarer Wellenlängenempfindlichkeit“, sagt Hecht. Bis dahin wird allerdings noch einige Zeit vergehen. Jetzt wollen die Wissenschaftler erst einmal zeigen, dass das Konzept in der Realität funktioniert.

Neue Materialien mit speziellen Eigenschaften

Dieses „Ausprobieren“ unterstützt die Volkswagen-Stiftung in den kommenden drei Jahren mit 569.000 Euro. Damit gibt sie den Startschuss für das erste Forschungsprojekt am neu gegründeten „Wilhelm-Conrad-Röntgen-Forschungszentrum für komplexe Materialsysteme“ der Universität Würzburg. In diesem Zentrum sollen neue Materialien mit speziell angepassten Eigenschaften entwickelt werden, die als Grundstoff für neuartige Bauelemente für die Informations-, Energie- und Medizintechnik dienen können. Dafür arbeiten Wissenschaftler aus den Fakultäten für Physik, Chemie und Biologie zusammen.

Erst vor wenigen Wochen hatte der Bayerische Landtags angekündigt, das Zentrum ebenfalls mit 650.000 Euro jährlich zu unterstützen. Dieses Geld soll in erster Linie in die Geräteausstattung fließen.

Kontakt:
Professor Bert Hecht, T: (0931) 31-85863, E-Mail: hecht@physik.uni-wuerzburg.de
Professor Frank Würthner, T: (0931) 888-5340, E-Mail: wuerthner@chemie.uni-wuerzburg.de