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 Der Türsteher im Gehirn
06.08.2020 | Institute of Science and Technology Austria

nachricht Peptide: Forschungs-Erfolg mit den kleinen Geschwistern der Proteine
06.08.2020 | Hochschule Coburg

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: Projektabschluss ScanCut: Filigranere Steckverbinder dank Laserschneiden

Eine entscheidende Ergänzung zum Stanzen von Kontakten erarbeiteten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT. Die Aachener haben im Rahmen des EFRE-Forschungsprojekts ScanCut zusammen mit Industriepartnern aus Nordrhein-Westfalen ein hybrides Fertigungsverfahren zum Laserschneiden von dünnwandigen Metallbändern entwickelt, wodurch auch winzige Details von Kontaktteilen umweltfreundlich, hochpräzise und effizient gefertigt werden können.

Sie sind unscheinbar und winzig, trotzdem steht und fällt der Einsatz eines modernen Fahrzeugs mit ihnen: Die Rede ist von mehreren Tausend Steckverbindern im...

Im Focus: ScanCut project completed: laser cutting enables more intricate plug connector designs

Scientists at the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT have come up with a striking new addition to contact stamping technologies in the ERDF research project ScanCut. In collaboration with industry partners from North Rhine-Westphalia, the Aachen-based team of researchers developed a hybrid manufacturing process for the laser cutting of thin-walled metal strips. This new process makes it possible to fabricate even the tiniest details of contact parts in an eco-friendly, high-precision and efficient manner.

Plug connectors are tiny and, at first glance, unremarkable – yet modern vehicles would be unable to function without them. Several thousand plug connectors...

Im Focus: Elektrogesponnene Vliese mit gerichteten Fasern für die Sehnen- und Bänderrekostruktion

Sportunfälle und der demografische Wandel sorgen für eine gesteigerte Nachfrage an neuen Möglichkeiten zur Regeneration von Bändern und Sehnen. Eine Kooperation aus italienischen und deutschen Wissenschaftler*innen forschen gemeinsam an neuen Materialien, um dieser Nachfrage gerecht zu werden.

Dem Team ist es gelungen elektrogesponnene Vliese mit hochgerichteten Fasern zu generieren, die eine geeignete Basis für Ersatzmaterialien für Sehnen und...

Im Focus: New Strategy Against Osteoporosis

An international research team has found a new approach that may be able to reduce bone loss in osteoporosis and maintain bone health.

Osteoporosis is the most common age-related bone disease which affects hundreds of millions of individuals worldwide. It is estimated that one in three women...

Im Focus: Neue Strategie gegen Osteoporose

Ein internationales Forschungsteam hat einen neuen Ansatzpunkt gefunden, über den man möglicherweise den Knochenabbau bei Osteoporose verringern und die Knochengesundheit erhalten kann.

Die Osteoporose ist die häufigste altersbedingte Knochenkrankheit. Weltweit sind hunderte Millionen Menschen davon betroffen. Es wird geschätzt, dass eine von...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Innovationstage 2020 – digital

06.08.2020 | Veranstaltungen

Innovationen der Luftfracht: 5. Air Cargo Conference real und digital

04.08.2020 | Veranstaltungen

T-Shirts aus Holz, Möbel aus Popcorn – wie nachwachsende Rohstoffe fossile Ressourcen ersetzen können

30.07.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Der Türsteher im Gehirn

06.08.2020 | Biowissenschaften Chemie

Kognitive Energiesysteme: Neues Kompetenzzentrum sucht Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft

06.08.2020 | Energie und Elektrotechnik

Projektabschluss ScanCut: Filigranere Steckverbinder dank Laserschneiden

06.08.2020 | Verfahrenstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics