Energie transporteren door een moleculair draadje

Het resultaat is gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society.

"De fotosynthesesystemen in de natuur zijn door miljarden jaren van evolutie geoptimaliseerd. Maar het is lastig dit te vertalen in een kunstmatig systeem", zegt Hildner. De antennes die in licht oogsten voor bacteriën of planten, zetten dit om in energie, die vervolgens naar het reactiecentrum gaat met een minimaal verlies.

Zo’n vijf jaar geleden ontwikkelde Hildner met enkele collega’s een systeem waarin schijfvormige moleculen zijn opgestapeld om nanodraadjes te maken met een lengte tot meer dan vier micrometer. De diameter is slechts 0,005 micrometer. Deze nanodraadjes kunnen energie transporteren, net als de antennes van het fotosynthesecomplex. "Maar soms zagen we dat het energietransport vastliep, ergens middenin onze draadjes. Iets in het systeem was blijkbaar niet stabiel."

Om het energietransport te verbeteren maakten de onderzoekers bundels van de draadjes. Nnet als in gewone elektronica. Alleen bleek dat de gebundelde nanodraadjes slechter waren in energietransport dan de losse draadjes.

Coherentie

Dit komt door coherentie. Energie opgevangen door de moleculen waaruit de draadjes bestaan zorgen voor een exciton. Maar die energie is uitgesmeerd over een aantal moleculen en kan zich daardoor snel verplaatsen over het draadje, als een soort golf door de moleculen. Als er geen coherentie is, is de energie echter gelokaliseerd op één enkel molecuul. Dan moet het van molecuul naar molecuul overspringen, wat het transport van de energie sterk vertraagt.

"Wat er in de bundels gebeurt is dat de coherentie verdwijnt", aldus Hildner. De oorzaak is de spanning die op de draadjes in de bundel komt te staan. "Ze zitten samengedrukt en dit zorgt ervoor dat zijgroepen van de moleculen elkaar in de weg zitten." Dat verandert het energielandschap: in een enkel draadje is de energie van een aangeslagen toestand in alle moleculen gelijk. Maar in een bundel is de lokale toestand van de moleculen verschillend, wat zorgt voor verschillen in energieniveaus.

Deze ontdekking betekent dat het oorspronkelijke idee, om transport te versnellen door bundels van nanodraadjes te maken, niet werkt. Maar met de nieuwe kennis kunnen theoretisch natuurkundigen berekenen hoe het transport door nanodraadjes wel is te verbeteren. De onderzoekers aan de RUG zijn daar inmiddels mee bezig.