06.12.2010

Künstliche Photosynthese mit formvollendeten Lichtantennen

Die Effizienz der Lichtabsorption bei künstlichen Lichtantennen ist von der Morphologie der Nanoteilchen abhängig.

Die Effizienz der Lichtabsorption bei künstlichen Lichtantennen ist von der Morphologie der Nanoteilchen abhängig.

Unsere Versuche, Sonnenenergie zu nutzen, sind bislang noch nicht wirklich effektiv. Dagegen funktioniert es in der Natur schon seit Millionen Jahren auf eindrucksvolle Weise: In den grünen Zellen der Pflanzen fangen Farbstoffmoleküle – die Chlorophylle – die Lichtstrahlen ein bzw. absorbieren sie. Die so gesammelte Energie wird dann von Molekül zu Molekül weitergereicht, bis ein chemischer Prozess erfolgt, der Kohlendioxid und Wasser in Sauerstoff und Zuckerstoffe umwandelt. Dieses erstaunliche Prinzip der Erzeugung von energiereichen Stoffen aus energieärmeren Substanzen ist deshalb schon seit einiger Zeit wesentlicher Gegenstand der Forschung. Seit einigen Jahren geht es in diesem Zusammenhang nicht mehr allein darum, diesen komplexen Vorgang zu verstehen, sondern ihn künstlich nachzubilden. Um ein Photosynthese-System künstlich herzustellen, benötigt man zunächst einen Stoff, der den ersten Schritt der Photosynthese – das „Sammeln“ bzw. die Absorption von Licht – künstlich nachstellt. Forscher um John Lupton vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg haben in diesem Zusammenhang einen künstlichen Lichtsammelkomplex auf Halbleiterbasis untersucht und weiterentwickelt. Dieser besteht aus einem Quantenpunkt – bzw. einer Materialstruktur im Nanometerbereich – als Kern sowie vier Quantendrähten als „Antennen“.

Abb.: Der Lichtsammelkomplex besteht aus vier Antennen aus dem Halbleiter Cadmiumsulfid sowie einem Kern aus dem Material Cadmiumselenid (linkes Bild). Für die Untersuchung wurden einzelne Antennen-Kern-Paare beleuchtet. Teilchen mit beulenartigen Verformung (rechts) sind in der Absorption gegenüber gleichförmigen Teilchen (Mitte) stark verbreitert: Sie fördern die Aufnahme von Licht. (Bild: Universität Regensburg)

Während bisherige Arbeiten den Fokus vor allen Dingen auf der chemischen Zusammensetzung dieser künstlichen Lichtantennen legten, konnten die Regensburger Forscher nun nachweisen, dass der Lichtsammelvorgang auch ganz entscheidend von der Morphologie bzw. der Form der Lichtantennen abhängt. Dass die Form der Nanostrukturen entscheidend ist, konnten die Physiker durch den Einsatz von optischer Spektroskopie – also über die Aufspaltung von Licht in unterschiedliche Farben – aufzeigen. Sie konnten daraus schließen, dass sich während des in Lösung ablaufenden Wachstums einzelner Partikel der Lichtantennen kleine „Beulen“ auf der Außenstruktur bilden, die den Vorgang der Lichtabsorption maßgeblich beeinflussen.

Morphologie wurde, im Gegensatz zur Größe, bislang bei der Charakterisierung von Nanoteilchen nicht als wesentliches Kriterium wahrgenommen. Durch den Einsatz der optischen Spektroskopie konnten die Wissenschaftler nun eine neue Richtung für die Herstellung künstlicher Photosynthese-Systeme vorgeben. „Es wird“, so Lupton, „in Zukunft darum gehen, die morphologische Vielfalt von Nanoteilchen in diesem Zusammenhang einzuschränken. Wir können uns nun auf die Suche nach den besonders effizienten Formen für den Einsatz bei der künstlichen Photosynthese konzentrieren.“

Universität Regensburg / AL

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