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Bei der Photosynthese wird Lichtenergie von
Pigmentmolekülen gesammelt und in molekulare Anregungsenergie
umgewandelt. Sie reichen die Energie kaskadenartig von einem Molekül
zum anderen. Am Ende schließlich entsteht daraus chemische Energie, in
diesem Fall Zucker. Dabei ist der Energietransfer zwischen Donator-
und Akzeptor-Molekül aber nicht nur bei natürlichen Prozessen wichtig.
Er kann etwa auch helfen, Längen auf der Nanoskala zu messen. "Diese
Arbeit bringt uns einen entscheidenden Schritt weiter, künstliche
Lichtsammelkomplexe zu realisieren. Insbesondere die Möglichkeit, die
Einsammlung von Licht elektrisch kontrollieren zu können, eröffnet in
Zukunft ganz neue Möglichkeiten", so Feldmann. Allgemein wird der
Energietransfer durch die so genannte Förster-Theorie beschrieben.
Danach werden zwei benachbarte Moleküle als Lichtantennen aufgefasst.
Nur wenn beide die gleiche Resonanzenergie haben, wird Energie
übertragen. Anders gesagt: Das Absorptionsspektrum der empfangenden
Antenne, also des Akzeptors, muss mit dem Emissionsspektrum der
sendenden Antenne, also des Donators, überlappen.
Das erlaubt die Schlussfolgerung, dass der
Energietransfer kontrolliert werden kann, wenn sich das Spektrum von
Donator oder Akzeptor beeinflussen lässt. Besonders interessant sind
halbleitende Nanokristalle, weil sie einen sehr großen
Absorptionsquerschnitt haben. Das ähnelt den natürlichen Lichtsammel-
beziehungsweise Antennenkomplexen der Photosynthese, die sich aus
vielen Pigmenten zusammensetzen. Einen wichtigen Unterschied gibt es
aber. Nanoteilchen decken ein weites Absorptionsspektrum ab, während
die spektrale Breite der Pigmentabsorption begrenzt ist. "Dazu kommt,
dass sich die Emission von einzelnen Nanokristallen mit Hilfe
elektrischer Felder hervorragend manipulieren lässt", so Klaus Becker,
Erstautor der Studie. "Das ist auf den so genannten 'quantum confined
Stark effect' oder QCSE zurückzuführen. Der Stark-Effekt hat
ursprünglich die spezifischen Veränderungen der ausgestrahlten
Spektrallinien von Atomen beschrieben, wenn diese großen elektrischen
Feldern ausgesetzt sind."
Wie die neuen Ergebnisse nun zeigen, kann mit Hilfe
des QCSE ein einzelner Nanokristall in Resonanz mit einem
Farbstoffmolekül gebracht werden. Somit lässt sich erstmals
Energietransfer mit Hilfe elektrischer Felder steuern. Daneben ergeben
sich aber auch zahlreiche Anwendungen. So fungiert der Nanokristall
gewissermaßen als Nanoantenne, indem er aus einer Vielzahl von
Farbstoffmolekülen ein einzelnes herauspickt. Die räumliche Präzision
dieses Vorgangs, also der optischen Adressierung eines einzelnen
Moleküls, liegt dabei weit unterhalb der erreichbaren Auflösungsgrenze
optischer Systeme. Diese sind durch die Wellenlänge des Lichts
begrenzt. "Auf diesem Weg erhalten wir durch ein Einzelmolekül eine
Art optoelektronischen Schalter", so Lupton. "Möglicherweise können
wir eine hoch präzise Einteilung erreichen und dann integrierte
nanophotonische Schaltkreise aus diesen Schaltern aufbauen. Effektiv
stellt das Nanokristall-Molekül-System ein Nanobauelement nach Art
eines Feldeffekttransistors dar."
Ebenso wichtig sind aber die Erkenntnisse über die
molekularen Mechanismen des Energietransfers. Denn die Übertragung
findet nicht zwischen jedem potentiellen Donator-Akzeptorpaar statt,
obwohl die beiden Moleküle benachbart sind. Die Forscher konnten
zeigen, dass der Energietransfer ein lokaler Vorgang ist. Auch wenn
Donator und Akzeptor im Mittel - also im Ensemble - hinreichend
spektralen Überlapp haben, garantiert dies nicht eine mikroskopische
Kopplung zwischen zwei einzelnen Molekülen, weil diese jeweils eine
geringfügig andere Energie haben. Streuen diese Energien zu sehr auf
mikroskopischer Ebene, gibt es weniger gekoppelte Molekülpaare. "Der
Energietransfer ist also auch in der Natur durch Unordnung limitiert",
meint Becker. "Das bedeutet, dass etwa in der Photosynthese Licht als
Anregungsenergie aufgenommen und dann möglicherweise in einem lokalen
energetischen Minimum gefangen wird, ohne das endgültige Ziel der
Umwandlung in photochemische Energie zu erreichen. Das aber kann die
Effizienz des Lichtsammelvorgangs erheblich reduzieren. Nicht zuletzt
also zeigt und erklärt unsere Arbeit die Rolle der Unordnung beim
Energietransfer - besonders auch in biologisch relevanten Systemen." |
