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So fließt Energie im Nanobereich

18.10.2019

Wie effizient sich Energie auf kleinstem Raum ausbreitet, ist entscheidend für die Photovoltaik und andere technische Anwendungen. Mit neuen Verfahren lässt sich der Weg der Energie im Nanometer-Bereich nun genau verfolgen.

Pflanzen und Bakterien machen es vor: Sie können die Energie des Sonnenlichts mit Sammelantennen einfangen und gezielt in ein Reaktionszentrum überführen.


Energietransport in biomimetischen Nanoröhren (links) und dreidimensionales Spektrum (rechts).

Björn Kriete (l.) / Stefan Mueller (r.)

Energie auf kleinstem Raum möglichst zielgerichtet und effizient zu transportieren – dieses Kunststück ist auch für den Menschen interessant. Wenn er es perfekt beherrschen würde, könnte er die Photovoltaik und die Opto-Elektronik deutlich verbessern.

Zwei neue spektroskopische Methoden

Aber wie lässt sich der Fluss der Energie beobachten? Damit befasst sich die Gruppe von Tobias Brixner am Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg.

Das Team stellt jetzt in der Zeitschrift „Nature Communications“ zwei neue spektroskopische Methoden vor, mit denen sich der Energietransport auf der Nanoskala beobachten lässt. Dem JMU-Professor zufolge liefern die neuen Erkenntnisse wertvolle Informationen für das Design von künstlichen Lichtsammelantennen.

Diese Forschungserfolge gelangen in Kooperation mit den Arbeitsgruppen von Christoph Lambert und Todd Marder (JMU Würzburg), Uwe Bunz und Andreas Dreuw (Universität Heidelberg) sowie Jasper Knoester und Maxim Pshenichnikov (Universität Groningen, Niederlande).

Nanoröhren imitieren die Natur

Den Forschungsteams ist es mit den neuen Methoden gelungen, den Energietransport in doppelwandigen Nanoröhren aus Tausenden von Farbstoffmolekülen zu entschlüsseln. Diese winzigen Röhren dienen der Wissenschaft als Modell für die Lichtsammelantennen von photosynthetisch aktiven Bakterien.

Bei niedrigen Lichtintensitäten werden die energetischen Anregungen von der äußeren zur inneren Wand der Röhren transportiert. Bei hohen Intensitäten dagegen bewegen sich die Anregungen nur auf der äußeren Wand hinweg – treffen dort zwei Anregungen aufeinander, verschwindet eine von ihnen. „Dieser seit längerem bekannte Effekt lässt sich mit unserer Methode erstmals direkt sichtbar machen“, sagt Brixner.

Die Messungen konnten durch die Kombination der in der Brixner-Gruppe entwickelten Methode der „Exciton-Exciton-Interaction-Two-Dimensional“-Spektroskopie (EEI2D-Spektroskopie) mit einer Mikrofluidik-Anordnung der Groninger Gruppe realisiert werden.

Datenaufnahme gelingt sehr viel schneller

Auch in der zweiten Arbeit demonstrieren die Forschungsteams einen neuen Ansatz zur Messung von Energieflüssen. Der Clou daran: Die Geschwindigkeit der Datenaufnahme konnte gegenüber dem Stand der Technik extrem gesteigert werden. Es gelang, innerhalb von nur acht Minuten bis zu 15 verschiedene 3D-Spektren gleichzeitig in einem einzigen Experiment zu messen. Dagegen benötigt man mit traditionellen Verfahren typischerweise mehrere Stunden für nur ein einziges Spektrum.

Grundlage für die Messungen kohärenter Spektren über drei Frequenzdimensionen ist eine schnelle Methode, die zeitliche Abfolge von ultrakurzen Laserpulsen zu variieren. „Die Erweiterung von 2D- auf 3D-Frequenzanalyse und die Erhöhung der Zahl der Licht-Materie-Wechselwirkungen von den in der Literatur üblichen vier auf nun sechs ermöglicht detaillierte Einblicke in die Dynamik hoch angeregter Zustände“, so Brixner.

Förderer

Diese Arbeiten wurden gefördert durch das Forschungsnetzwerk „Solar Technologies Go Hybrid“ des Freistaats Bayern, die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) sowie den European Research Council (ERC) im Rahmen des Consolidator Grants „MULTISCOPE“.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Tobias Brixner, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Universität Würzburg, brixner@phys-chemie.uni-wuerzburg.de

Originalpublikation:

S. Mueller, J. Lüttig, P. Malý, L. Ji, J. Han, M. Moos, T. B. Marder, U. H. F. Bunz, A. Dreuw, C. Lambert, and T. Brixner, “Rapid multiple‐quantum three‐dimensional fluorescence spectroscopy disentangles quantum pathways”, Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-019-12602-x (2019)

B. Kriete, J. Lüttig, T. Kunsel, P. Malý, T. L. C. Jansen, J. Knoester, T. Brixner, and M. S. Pshenichnikov, “Interplay between structural hierarchy and exciton diffusion in artificial light harvesting”, Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-019-12345-9 (2019)

Weitere Informationen:

http://go.uni-wuerzburg.de/brixner-group Website Prof. Brixner

Robert Emmerich | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

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