Kijken naar energietransport in op biologie geïnspireerde nanobuisjes

Kort & bondig

Planten en sommige bacteriën vangen licht op met speciale antennes, om de energie te kunnen gebruiken. Deze opvangsystemen werken heel efficiënt. Wetenschappers zijn daarom nieuwsgierig hoe ze precies werken. Maar de antennes zitten ingewikkeld in elkaar. Nu hebben onderzoekers van de RUG een simpele versie van de antennes gemaakt om te bestuderen hoe ze licht opvangen en de energie ervan transporteren. De resultaten van dit onderzoek kunnen helpen bij het maken van heel kleine ‘moleculaire draadjes’ voor energietransport.

Wetenschappers van de RUG en de universiteit van Würzburg (Duitsland) hebben een op de biologie gebaseerd systeem onderzocht dat licht omzet in stroom. Dat gebeurde met geavanceerde spectroscopie in microkanaaltjes. De dubbelwandige nanobuisjes vangen licht efficiënt op bij lage intensiteit, terwijl ze bij hoge lichtintensiteit het overschot aan energie dat ontstaat kwijt kunnen raken. Deze eigenschappen zijn nuttig bij het ontwerpen van nieuwe materialen die licht omzetten in stroom. De resultaten zijn op 10 oktober gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.

Natuurlijke systemen voor fotosynthese zijn in staat om zeer efficiënt lichtenergie te oogsten, zelfs in een lichtarme omgeving. Er is daarom veel onderzoek naar hoe die systemen werken. Het begrijpen van energietransport op een schaal van nanometers lijkt de sleutel te zijn die tal van toepassingen in het veld van (opto)elektronica kan ontsluiten. Natuurlijke systemen voor fotosynthese zijn zeer complex en bestaan uit hiërarchisch geordende onderdelen. Dat bracht onderzoekers bij biomimetische (op de biologie geïnspireerde) analogen waarvan de structuur lijkt op die van het natuurlijke systemen, maar die eenvoudiger zijn.

Dubbele wand

De onderzoeksgroepen Optische Gecondenseerde Materie en Theorie van Gecondenseerde Materie (beide onderdeel van ZIAM, het Zernike Instituut voor materiaalonderzoek van de RUG) hebben samengewerkt met collega’s van de universiteit van Würzburg om een volledig beeld te krijgen van het energietransport in een kunstmatig lichtgevoelig complex. Ze gebruikten een nieuwe aanpak die spectroscopie toepast in een ‘lab-op-een-chip’, waardoor ze snel verlopende processen via spectroscopie konden volgen in een systeem van microkanaaltjes. Ook zijn er uitgebreide theoretische modellen gemaakt.

De wetenschappers onderzochten een kunstmatig systeem dat licht opvangt, geïnspireerd op de veel-wandige antennes van fotosynthetische bacteriën. Deze biomimetische opstelling bestaat uit nanobuisjes van lichtgevoelige moleculen die ontstaan door zelfassemblage. Daarbij ontstaan buisjes met een dubbele wand. ‘Maar zelfs dat systeem is nog behoorlijk complex’, vertelt Maxim Pshenichnikov, hoogleraar ultra-snelle spectroscopie aan de RUG. Zijn groep bedacht het systeem met microkanaaltjes, waarin het mogelijk is de buitenste wand van de buisjes op te lossen en dus uit te schakelen. ‘Dat is geen stabiele toestand, maar in de vloeistofstroom in de kanaaltjes kun je deze toestand bestuderen.’ Zo was het mogelijk alleen de binnenste wand of beide wanden van de buisjes te bestuderen.

Bij een lage lichtintensiteit absorbeerde het systeem fotonen (lichtpakketjes) in beide wanden, waarbij zogeheten exitonen ontstonden, een aangeslagen toestand. ‘Door de verschillende grootte van de beide wanden absorberen ze fotonen met een verschillende energie-inhoud’, legt Pshenichnikov uit. ‘Dat verhoogt de efficiëntie.’ Bij een grote lichtintensiteit wordt een groot aantal fotonen geabsorbeerd, waardoor heel veel aangeslagen exitonen ontstaan. ‘We zagen dat als twee exitonen die bij elkaar komen, er eentje verdwijnt.’ Dat werkt als een soort veiligheidsklep, want teveel exitonen kunnen de buisjes beschadigen.

Moleculaire materialen

Wat de onderzoekers hiermee laten zien is dat een dubbelwandig nanobuisje in staat is om zich aan te passen aan verschillende hoeveelheden licht. Ze bootsen de belangrijkste functionele elementen na die de natuur heeft ontwikkeld: bij lage lichtintensiteit zijn de antennes zeer gevoelig maar als er veel licht is, raken ze een teveel aan opgenomen energie ook gemakkelijk kwijt. Die laatste situatie zul je in de natuur overigens bijna nooit vinden. Maar beide eigenschappen samen banen de weg naar een betere controle van energietransport door complexe moleculaire materialen.

Het artikel is door de redactie van de Nature bladen geselecteerd als 'Editors' Highlight'.