Ener­gie­trans­port im Gleich­takt

Energietransfer durch eine einzelne supramolekulare Nanofaser. (Bild: A. T. Haedler, U. Bayreuth)

Energietransfer durch eine einzelne supramolekulare Nanofaser. (Bild: A. T. Haedler, U. Bayreuth)

Die Umwandlung von Lichtenergie in Strom gewinnt immer mehr an Bedeutung. Tech­nische Fort­schritte auf diesem Gebiet hängen wesent­lich davon ab, die durch Licht erzeugte Energie bei möglichst geringen Verlusten zu transpor­tieren. Dafür sind neuartige Kompo­nenten und Bauelemente nötig. Wissen­schaftler der Uni Bayreuth und der FAU Erlangen-Nürnberg berichten jetzt über Nano­fasern, die erstmals bei Raum­temperatur einen zielgerichteten Energie­transport über mehrere Mikro­meter ermöglichen. Das wird durch einen quanten­mechanisch kohärenten Transport entlang der einzelnen Nanofaser gewähr­leistet.

Die Forschergruppen um Richard Hildner und Hans-Werner Schmidt von der Uni Bayreuth haben supra­mole­kulare Nano­struk­turen hergestellt, in denen sich die von Licht erzeugte Energie geradlinig über mehrere Mikro­meter fort­pflanzt – und zwar bei Raum­tempe­ratur, ohne dabei wesentlich schwächer zu werden. Die Nano­strukturen sind aus über 10.000 identischen Bausteinen aufgebaut. Jeder Baustein ähnelt dabei in seiner Struktur einem Propeller mit drei Flügeln: In der Mitte befindet sich eine Carbonyl-verbrückte Triaryl­amin-Einheit, hieran sind drei Naphtha­limid­bithiophen-Chromo­phore befestigt, die nach außen abstehen. Diese scheib­chen­förmigen Bausteine bilden spontan durch Selbst­organi­sation Nano­fasern mit Längen von mehr als vier Mikro­­metern und einem Durch­messer von nur 0,005 Mikro­metern. Entschei­dend für den Energie­transport ist die Carbonyl-verbrückte Tri­aryl­amin-Scheibe, die von der Forschungs­gruppe um Milan Kivala an der Uni Erlangen-Nürnberg synthe­tisiert und an der Uni Bayreuth chemisch modi­fiziert wurde.

Chemische Struktur des scheibchenförmigen Bausteins. (Bild: A. T. Haedler, U. Bayreuth)

Chemische Struktur des scheibchenförmigen Bausteins. (Bild: A. T. Haedler, U. Bayreuth)

Mit mehreren Mikroskopie­tech­niken konnten die Wissen­schaft­ler sichtbar machen, wie die Energie eine solche Nano­faser in Längs­rich­tung durchläuft. Selbst bei einer Distanz von 4,4 Mikro­metern treten nur äußerst gering­fügige Verluste auf. Würde man – wiederum auf dem Weg der Selbst­organisation – die Faser um weitere Bau­steine verlängern, könnte die Energie auch eine größere Reich­weite durch­laufen. Beim Energie­transport durch die Nano­faser arbeiten die perfekt ange­ordneten mole­ku­laren Bausteine in einer präzise aufein­ander abge­stimmten Weise. Sie geben die Energie in einem gleich­­mäßigen Takt von einem Baustein zum nächsten weiter, ein Phänomen, das als quanten­mechanische Kohärenz bezeichnet wird.

„Wir haben hier vielversprechende Nanostrukturen vor uns, die deutlich machen, dass die Suche nach optimal geeigneten Materialien für den effi­zienten Transport von Licht­energie ein lohnendes Forschungs­gebiet darstellt“, erklärt Richard Hildner, der sich in Bayreuth auf das Forschungs­gebiet der „Licht­ernte“ speziali­siert hat. Hier geht es darum, die Transport­prozesse in der pflanz­lichen Photo­synthese möglichst genau zu verstehen, um die dabei gewonnenen Erkenntnisse für die Energie­erzeugung aus Sonnen­licht zu nutzen. „Die von uns synthetisierten supra­molekularen Nano­strukturen können uns möglicher­weise weiteren Aufschluss darüber geben, wie der Photo­synthese-Apparat in Pflanzen oder auch in Bakterien funktioniert. Außerdem wollen wir in den nächsten Monaten prüfen, inwieweit sich diese Struk­turen beispiels­weise als Kompo­nenten für neuartige Archi­tekturen von Solar­zellen und optischen Bau­elementen eignen.“ (U. Bayreuth / optik-photonik.de)

Referenz: A. T. Haedler et al.: Long-Range Energy Transport in Single Supramolecular Nanofibres at Room Temperature, Nature 523, 196 (2015); DOI: 10.1038/nature14570

Links: AG Elektronische Struktur weicher Materie (J. Köhler), Physikalisches Institut, Universität BayreuthMakromolekulare Chemie I (H.-W. Schmidt), Universität BayreuthNanoelektronische Materialien (A. Hirsch), Dept. Chemie und Pharmazie, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

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