Ein künstlicher Lichtsammelkomplex

News: Ein künstlicher Lichtsammelkomplex

Pflanzen sammeln das Sonnenlicht mit großen Molekülkomplexen, die es zu den Reaktionszentren weiterleiten. Dadurch hat jedes Zentrum eine viel größere Wirkfläche als es seiner Geometrie entspricht. Chemiker haben eine künstliche Sammelantenne entwickelt, die ähnlich arbeitet und die Energie aus ultraviolettem Licht gerichtet transportieren kann.

Wissenschaftler von der University of Michigan und der University of Illinois haben eine neue Klasse großer verzweigter Supermoleküle entwickelt, die nach ihrer Ansicht eines Tages für eine Vielzahl von Anwendungen genutzt werden könnten. Als Beispiele nennen sie die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie, die selektive Beleuchtung von Zellbestandteilen, wie z.B. DNA, und mikroskopische optische Sensoren.

„Normalerweise wird Lichtenergie durch ein Molekül willkürlich gestreut”, sagte Raoul Kopelman, Professor für Chemie, Physik und Angewandte Physik an der University of Michigan. „Doch diese Moleküle haben eine definierte baumartige Struktur, die es ihnen ermöglicht, Lichtenergie durch die ‚Zweige’ zu schleusen und zu einem zentralen Punkt zu lenken.”

Wenn ultraviolettes Licht auf eine passende Gruppe des Supermoleküls fällt, wandert die absorbierte Energie in Form von Engergiepaketen (Exzitonen genannt) den Zweig hinunter. Die Exzitonen verlieren an jedem Abzweigungspunkt eine kleine Energiemenge und fallen dabei immer weiter dem Zentrum des molekularen Baumes entgegen, bis sie schließlich, einer nach dem anderen, in einer molekularen "Falle" enden, die sich am Zentrum der Baumstruktur befindet. In der bisher effektivsten Variante des Moleküls, dem Nanostar, wandeln lichtempfindliche Moleküle in diesem Zentrum die Energie wieder in sichtbares Licht um, und zwar mit einem Wirkungsgrad von bis zu 99 Prozent.

„Es funktioniert wie bei einem Potentialtopf...”, erklärte Stephen F. Swallen, Chemiker an der University of Michigan. „Die Exzitonen verfügen über keine Extra-Energie, um in dem Molekül wieder zurückzuwandern; folglich fallen sie einfach weiter in die Falle.”

Die Supermoleküle bestehen aus Phenylacetylen-Monomeren, die sich von einem zentralen Bereich aus verzweigen. Sie gehören zu den größten organischen Molekülen, deren Struktur während der Synthese kontrolliert werden kann. Das größte bis heute synthetisierte Molekül enthält 127 Chromophoren oder lichteinfangende Einheiten.

Jede Baumstruktur wird von Moore und seinen Kollegen genau nach Kopelmans Spezifikationen hergestellt, um für unterschiedliche Anwendungen verschiedene chemische und physikalische Eigenschaften zu produzieren. Eine der bedeutendsten Eigenschaften der neuen Moleküle ist ihre Fähigkeit, der Photobleichung zu widerstehen. „Wer schon einmal einen Pullover gehabt hat, der unter Sonneneinwirkung verblaßt ist oder sich aufgelöst hat, der hat die Wirkung der Photobleichung bereits erlebt”, sagte Kopelman. „Moleküle können Photonen nicht beliebig oft absorbieren und wieder abgeben.” Nach einigen Zyklen zerfallen sie.

Swallen zufolge, können die Moleküle aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung und physikalischen Struktur der Photobleichung widerstehen. „Während die meisten organischen Moleküle sich zersetzen, wenn mehrere Exzitonen auf der gleichen Stelle konzentriert sind, kann der Nanostar sich schützen, indem er einige überschüssige Energie vom Zentrum hinweg in die äußeren Teile des Baumes umleitet”, erklärte er. „Da das Molekül nie von mehr Energie getroffen wird, als es verkraftet, kann es unter Lichteinwirkung viel länger als gewöhnliche Moleküle bestehen.”

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