Meine Merkliste
my.chemie.de  
Login  

So fließt Energie im Nanobereich

Zwei neue spektroskopische Methoden

23.10.2019

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

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

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. 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.

Mehr über Uni Würzburg
  • News

    Topologische Isolatoren: Elektronen halten Sicherheitsabstand

    Ein Team der Uni Würzburg hat die Eigenschaften von Bismuten untersucht, einem Topologischen Isolator. Erstmals wurde beobachtet, dass dort die Beweglichkeit von Elektronen durch kollektive Effekte eingeschränkt werden kann. Topologische Isolatoren sind Zwittermaterialien. Das bedeutet, das ... mehr

    Topologische Nanoelektronik

    Physikern der Universität Würzburg ist eine Weltpremiere gelungen: Sie haben ein grundlegendes nanoelektronisches Bauelement realisiert, das auf der in Würzburg entdeckten Materialklasse der topologischen Isolatoren beruht. Topologische Isolatoren sind Materialien mit erstaunlichen Eigensch ... mehr

    Mehr Kunststoffe recyclingfähig machen

    Dass schon beim Design von Produkten an deren Recycling-Fähigkeit gedacht wird, ist bislang oft nur ein Wunsch vieler Kunststoff-Recycler. In einem neuen Forschungsprojekt der Julius-Maximilians-Universität Würzburg, des Kunststoff-Zentrums – SKZ und zweier Partner aus der bayerischen Kunst ... mehr

  • q&more Artikel

    Multinationale Medikamente

    Während in den 90er-Jahren des letzten Jahrhunderts 80 % aller Wirkstoffe und Hilfsstoffe in Europa bzw. in den USA produziert wurden, werden heute nahezu alle Ausgangsstoffe zur Herstellung von Arzneimittel in China und Indien hergestellt. Dies gilt nicht nur für die einzelnen Stoffe, sond ... mehr

    Hightech im Bienenvolk

    Vitale Bienenvölker sind von höchster Relevanz für die Aufrechterhaltung der natürlichen Diversität von Blütenpflanzen und die globale pflanzliche Nahrungsmittelproduktion, die zu 35 % von Insektenbestäubern abhängt, unter denen die Honigbiene (Apis mellifera) die überragende Rolle spielt. ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Jürgen Tautz

    Jg. 1949, studierte Biologie, Geographie und Physik an der Universität Konstanz und promovierte dort über ein sinnesökologisches Thema. Nach Arbeiten zur Bioakustik von Insekten, Fischen und Fröschen gründete er 1994 die BEEgroup an der Universität Würzburg, die sich mit Grundlagenforschung ... mehr

    Prof. Dr. Ulrike Holzgrabe

    Ulrike Holzgrabe (Jg. 1956) studierte Chemie und Pharmazie in Marburg und Kiel. Nach Approbation und Promotion folgte die Habilitation für Pharmazeutische Chemie 1989 ­in Kiel. Sie hatte eine Professur in Bonn (1990-1999), lehnte C4-Rufe nach Tübingen und Münster ab und folgte dem Ruf nach ... mehr

Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.