Energie transporteren door een moleculair draadje

Kort & bondig

Planten en bepaalde bacteriën kunnen zonlicht opvangen met moleculaire antennes. De energie transporteren ze naar een reactiecentrum met minimaal verlies. Wetenschappers zouden graag moleculaire draadjes willen maken die net zo efficiënt zijn als deze antennes. Zij hebben draadjes gemaakt door een bepaald type moleculen op te stapelen. Die draadjes kunnen energie transporteren, maar soms werken ze niet goed. De wetenschappers dachten dat het bundelen van de draadjes het transport zou verbeteren, maar dat bleek niet zo te zijn. De energie verplaatst zich snel door het draadje wanneer deze is uitgesmeerd over een aantal moleculen. Maar in de bundels zitten de draadjes samengeperst, waardoor dat uitsmeren niet meer gebeurt. Met deze resultaten kunnen we het transport van energie door de moleculaire draadjes begrijpen, en dat helpt bij het ontwerpen van betere geleidende draadjes.

De natuur gebruikt een zeer efficiënt systeem om tijdens fotosynthese energie te transporteren naar het reactiecentrum, waar deze wordt omgezet in een bruikbare vorm. Wetenschappers gebruiken dit systeem om te leren hoe ze energie kunnen transporteren in bijvoorbeeld moleculaire elektronica. RUG natuurkundige Richard Hildner heeft met collega’s onderzocht hoe energietransport verloopt door een kunstmatig systeem gemaakt van nanodraadjes. Het resultaat is gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society.

‘De fotosynthese systemen in de natuur zijn door miljarden jaren van evolutie geoptimaliseerd. Maar het is lastig dit te vertalen in een kunstmatig systeem’, legt Hildner uit. De antennes die in de complexen licht oogsten voor bacteriën of planten zetten licht om in energie, die vervolgens naar het reactiecentrum gaat met een minimaal verlies.

Bundels

Zo’n vijf jaar geleden ontwikkelde Hildner met enkele collega’s een systeem waarin schijfvormige moleculen zijn opgestapeld om nanodraadjes te maken met een lengte tot meer dan vier micrometer. De diameter is slechts 0,005 micrometer. Ter vergelijking, de diameter van een menselijke haar is vijftig tot honderd micrometer. De nanodraadjes kunnen energie transporteren, net als de antennes van het fotosynthese complex. ‘Maar soms zagen we dat het energietransport vastliep, ergens middenin onze draadjes. Iets in het systeem was blijkbaar niet stabiel’, aldus Hildner.

Om het energietransport te verbeteren maakten Hildner en zijn medewerkers bundels van de nanodraadjes. ‘Het is net als in gewone elektronica: van hele dunne koperdraadjes maak je bundels om een beter werkende stroomkabel te krijgen.’ Alleen bleek dat de gebundelde nanodraadjes slechter waren in energietransport dan de losse draadjes.

Coherentie

De reden hiervoor is een fenomeen dat coherentie heet. Energie opgevangen door de moleculen waaruit de draadjes bestaan zorgen voor een aangeslagen toestand, een zogeheten exciton. Maar die aangeslagen toestand bestaat niet uit een pakketje energie dat zich op één molecuul bevindt. Hildner: ‘De energie is coherent, uitgesmeerd over een aantal moleculen, en juist daardoor kan deze zich snel verplaatsen over het draadje.’ De coherente energie verplaatst zich als een soort golf door de moleculen. Maar als er geen coherentie is, is de energie gelokaliseerd op één enkel molecuul. Dan moet het van molecuul naar molecuul overspringen. Dat vertraagt het transport van de energie sterk.

Wat er in de bundels gebeurt is dat de coherentie verdwijnt’, legt Hildner uit. De oorzaak is de spanning die er de draadjes in de bundel komt te staan. ‘Ze zitten samengedrukt en dit zorgt ervoor dat zijgroepen van de moleculen elkaar in de weg zitten.’ Dat verandert weer het ‘energielandschap’: in een enkel draadje is de energie van een aangeslagen toestand in alle moleculen gelijk. Maar in een bundel is de lokale toestand van de moleculen verschillend, wat zorgt voor verschillen in energieniveaus.

Fietstocht

Hildner legt uit wat dit betekent: ‘Stel, je maakt een fietstocht. Het hoogteprofiel van de route staat voor de energieniveaus in de moleculen waaruit de draadjes bestaan. Als je in Nederland fietst kom je snel op je bestemming aan, want de weg is vlak. Maar in de Alpen moet je veel bergop fietsen, dat is zwaar dus je gaat niet zo snel.’ Op dezelfde manier loopt het transport in de draadjes minder snel wanneer er grote verschillen zijn in de energieniveaus van de moleculen.

Deze ontdekken betekent dat het oorspronkelijke idee, om transport te versnellen door bundels van nanodraadjes te maken, niet werkt. Maar de onderzoekers hebben een waardevolle les geleerd van deze mislukking, en met die nieuwe kennis kunnen theoretisch natuurkundigen berekenen hoe het transport door nanodraadjes wel is te verbeteren. ‘Mijn collega’s hier aan de RUG zijn daar inmiddels mee bezit. En weten inmiddels één ding heel zeker; als je efficiënt energietransport wilt in nanodraadjes moet je ze niet bundelen!’

Referentie: Bernd Wittmann, Felix A. Wenzel, Stephan Wiesneth, Andreas T. Haedler, Markus Drechsler, Klaus Kreger, Jürgen Köhler, E. W. Meijer, Hans-Werner Schmidt and Richard Hildner: Enhancing Long-Range Energy Transport in Supramolecular Architectures by Tailoring Coherence Properties. J. Am. Chem. Soc. First online 11 april 2020