Energietransport im Gleichtakt

Die Umwandlung von Lichtenergie in Strom gewinnt immer mehr an Bedeutung. Technische Fortschritte auf diesem Gebiet hängen wesentlich davon ab, die durch Licht erzeugte Energie bei möglichst geringen Verlusten zu transportieren. Dafür sind neuartige Komponenten und Bauelemente nötig. Wissenschaftler der Uni Bayreuth und der FAU Erlangen-Nürnberg berichten jetzt über Nanofasern, die erstmals bei Raumtemperatur einen zielgerichteten Energietransport über mehrere Mikrometer ermöglichen. Das wird durch einen quantenmechanisch kohärenten Transport entlang der einzelnen Nanofaser gewährleistet.

Die Forschergruppen um Richard Hildner und Hans-Werner Schmidt von der Uni Bayreuth haben supramolekulare Nanostrukturen hergestellt, in denen sich die von Licht erzeugte Energie geradlinig über mehrere Mikrometer fort­pflanzt – und zwar bei Raumtemperatur, ohne dabei wesentlich schwächer zu werden. Die Nanostrukturen sind aus über 10.000 identischen Bausteinen aufgebaut. Jeder Baustein ähnelt dabei in seiner Struktur einem Propeller mit drei Flügeln: In der Mitte befindet sich eine Carbonyl-verbrückte Triarylamin-Einheit, hieran sind drei Naphthalimidbithiophen-Chromophore befestigt, die nach außen abstehen. Diese scheibchenförmigen Bausteine bilden spontan durch Selbstorganisation Nanofasern mit Längen von mehr als vier Mikro­metern und einem Durchmesser von nur 0,005 Mikrometern. Entscheidend für den Energietransport ist die Carbonyl-verbrückte Triarylamin-Scheibe, die von der Forschungsgruppe um Milan Kivala an der FAU Erlangen-Nürnberg synthetisiert und an der Uni Bayreuth chemisch modifiziert wurde.

Mit mehreren Mikroskopietechniken konnten die Wissenschaftler sichtbar machen, wie die Energie eine solche Nanofaser in Längsrichtung durchläuft. Selbst bei einer Distanz von 4,4 Mikrometern treten nur äußerst geringfügige Verluste auf. Würde man – wiederum auf dem Weg der Selbstorganisation – die Faser um weitere Bausteine verlängern, könnte die Energie auch eine größere Reichweite durchlaufen. Beim Energietransport durch die Nanofaser arbeiten die perfekt angeordneten molekularen Bausteine in einer präzise aufeinander abgestimmten Weise. Sie geben die Energie in einem gleich­mäßigen Takt von einem Baustein zum nächsten weiter, ein Phänomen, das als quantenmechanische Kohärenz bezeichnet wird.

„Wir haben hier vielversprechende Nanostrukturen vor uns, die deutlich machen, dass die Suche nach optimal geeigneten Materialien für den effizienten Transport von Lichtenergie ein lohnendes Forschungsgebiet darstellt“, erklärt Richard Hildner, der sich an der Universität Bayreuth auf das Forschungsgebiet der „Lichternte“ spezialisiert hat. Hier geht es darum, die Transportprozesse in der pflanzlichen Photosynthese möglichst genau zu verstehen, um die dabei gewonnenen Erkenntnisse für die Energieerzeugung aus Sonnenlicht zu nutzen. „Die von uns synthetisierten supramolekularen Nanostrukturen können uns möglicherweise weiteren Aufschluss darüber geben, wie der Photosynthese-Apparat in Pflanzen oder auch in Bakterien funktioniert. Außerdem wollen wir in den nächsten Monaten prüfen, inwieweit sich diese Strukturen beispielsweise als Komponenten für neuartige Architekturen von Solarzellen und optischen Bauelementen eignen.“

UB / RK