Energie auf verschlungenen Pfaden

Pflanzen und Bakterien machen es vor: Sie können die Energie des Sonnenlichts mit Sammel­antennen einfangen und gezielt in ein Reaktionszentrum überführen. Energie auf kleinstem Raum möglichst zielgerichtet und effizient zu transportieren – dieses Kunststück ist auch für den Menschen interessant. 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 zwei neue spektro­skopische Methoden vor, mit denen sich der Energie­transport auf der Nanoskala beobachten lässt. Das liefert wertvolle Informationen für das Design von künstlichen Licht­sammel­antennen.
 

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

Bei niedrigen Lichtintensitäten fließen die energetischen Anregungen von der äußeren zur inneren Wand der Röhren. 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.

Auch in der zweiten Arbeit demonstrieren die Forschungsteams einen neuen Ansatz zur Messung von Energieflüssen. Der Clou daran: Die Geschwindigkeit der Datenaufnahme ließ sich gegenüber dem Stand der Technik extrem steigern. 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.

JMU / DE
 

Weitere Infos

• Originalveröffentlichungen
  S. Mueller et al.: Rapid multiple‐quantum three‐dimensional fluorescence spectroscopy disentangles quantum pathways, Nat. Commun. 10, 4735 (2019); DOI: 10.1038/s41467-019-12602-x
  B. Kriete et al.: Interplay between structural hierarchy and exciton diffusion in artificial light harvesting, Nat. Commun. 10, 4615 (2019); DOI: 10.1038/s41467-019-12345-9
• Physikalische Chemie (T. Brixner), Universität Würzburg