El Dr. Björn Kriete realiza una espectroscopia ultrarrápida en complejos de captación de luz artificial Crédito:Maxim Pchenitchnikov, Universidad de Groningen
Los científicos suelen preferir trabajar con sistemas ordenados. Sin embargo, un equipo diverso de físicos y biofísicos de la Universidad de Groningen descubrió que los nanotubos recolectores de luz individuales con estructuras moleculares desordenadas todavía transportan energía luminosa de la misma manera. Combinando espectroscopia, simulaciones de dinámica molecular y física teórica, descubrieron cómo el desorden a nivel molecular se promedia eficazmente a escala microscópica. Los resultados se publicaron el 28 de septiembre en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense .
Los nanotubos recolectores de luz de doble pared se autoensamblan a partir de bloques de construcción moleculares. Están inspirados en la red de antenas tubulares de paredes múltiples de bacterias fotosintéticas que se encuentran en la naturaleza. Los nanotubos absorben y transportan energía luminosa, aunque no estaba del todo claro cómo. "Los nanotubos tienen tamaños similares pero todos son diferentes a nivel molecular con las moléculas dispuestas de forma desordenada, "explica Maxim Pshenichnikov, Profesor de espectroscopia ultrarrápida en la Universidad de Groningen.
Molécula única
Björn Kriete, un doctorado estudiante en el grupo de Pshenichnikov, utilizó espectroscopía para medir cómo los sistemas de captación de luz, cada uno formado por un nanotubo de doble pared compuesto por unos pocos miles de moléculas, se comportó. "Examinamos alrededor de cincuenta de estos sistemas y descubrimos que tenían propiedades ópticas muy similares a pesar de mostrar diferencias significativas a nivel molecular". La medición de sistemas de captación de luz individuales requiere el uso de las últimas técnicas de espectroscopia de molécula única. Los estudios anteriores solo analizaron el material a granel que contiene millones de estos sistemas.
Entonces, ¿Cómo se puede reconciliar el desorden a nivel molecular con las respuestas muy ordenadas de los sistemas individuales a la luz? Para responder a esta pregunta, Pshenichnikov recibió ayuda tanto del grupo de Dinámica Molecular como del grupo de Física Teórica de la Universidad de Groningen. Los investigadores postdoctorales Riccardo Alessandri y Anna Bondarenko fueron los encargados de simular el sistema de nanotubos en solución. "Fue todo un desafío simular un sistema con miles de moléculas, para tratar de calcular el trastorno de manera eficiente, "Alessandri explica. En general, la simulación contenía alrededor de 4,5 millones de átomos.
Similitudes que surgen del trastorno:las estructuras moleculares desordenadas de los complejos de captación de luz artificial producen propiedades ópticas bien definidas Crédito:Ilias Patmanidis y Misha Pchenitchnikov
Diapasones
En el final, la simulación reveló una imagen más amplia que estaba de acuerdo con los resultados experimentales obtenidos por Pshenichnikov, pero también reveló detalles moleculares adicionales. Esto ayudó a Jasper Knoester, Catedrático de Física Teórica, para conectar todos los puntos. Reconoció un patrón en los datos que se conoce como 'estrechamiento del intercambio'. "Este efecto es responsable de promediar las pequeñas diferencias a nivel molecular". Puede compararlo con el experimento clásico con diapasones en el que una vibración en uno La bifurcación se puede transferir a una segunda bifurcación si está sintonizada aproximadamente a la misma frecuencia, "Knoester explica.
La energía recolectada por los sistemas fotosensibles se transporta en forma de excitones, que son funciones de onda de la mecánica cuántica, comparable a las vibraciones. Cada excitón se extiende a lo largo de 100 a 1, 000 moléculas. Dice Pshenichnikov, "Estas moléculas no están ordenadas, pero están vinculados a través del acoplamiento dipolo-dipolo ". Este vínculo permite que las moléculas que forman los nanotubos vibren juntas. Las diferencias menores entre ellas se promedian, lo que da como resultado sistemas de captación de luz que tienen propiedades ópticas similares.
Albañil
Ahora está claro cómo el comportamiento óptico ordenado puede surgir de una estructura molecular desordenada. El vínculo entre las moléculas es vital. Pshenichnikov afirma:"Piense en un albañil mal capacitado, que simplemente junta ladrillos sin un patrón en particular. Si están bien cementados entre sí, todavía terminas con una pared fuerte ". Para los nanotubos, esto significa que una cierta cantidad de desorden es bastante aceptable en estos sistemas de captación de luz. "Creo que las implicaciones son aún más amplias, ", dice Pshenichnikov." El siguiente paso es investigar cómo estas propiedades pueden surgir en los sistemas y utilizarlas en el diseño y creación de nuevos materiales funcionales ".
