Flujo de energía en la gama Nano
Dos nuevos métodos espectroscópicos
En el caso de la energía fotovoltaica y otras aplicaciones técnicas, es crucial la eficiencia con la que se distribuye la energía en un volumen pequeño. Con nuevos métodos, la trayectoria de la energía en el rango de los nanómetros puede ser seguida con precisión.
Transporte de energía en nanotubos biomiméticos (izquierda) y un espectro tridimensional (derecha).
Björn Kriete (l.) / Stefan Mueller (r.)
Las plantas y las bacterias lideran el camino: Pueden captar la energía de la luz del sol con antenas de captura de luz y transferirla a un centro de reacción. Transportar la energía de forma eficiente y selectiva en un mínimo de espacio - esto también es de interés para la humanidad. Si los científicos lo dominaran perfectamente, podrían mejorar significativamente la fotovoltaica y la optoelectrónica.
Dos nuevos métodos espectroscópicos
Pero, ¿cómo se puede observar el flujo de energía? En esto está trabajando el grupo de Tobias Brixner del Instituto de Química Física y Teórica de la Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg en Baviera, Alemania.
En la revista Nature Communications, el equipo presenta ahora dos nuevos métodos espectroscópicos con los que se puede observar el transporte de energía a nanoescala. Según el profesor de la JMU, los nuevos hallazgos proporcionan información valiosa para el diseño de antenas de recolección de luz artificial.
Estos éxitos de investigación se lograron en cooperación con los grupos de trabajo de Christoph Lambert y Todd Marder (JMU Würzburg), Uwe Bunz y Andreas Dreuw (Universidad de Heidelberg), así como con Jasper Knoester y Maxim Pshenichnikov (Universidad de Groningen, Países Bajos).
Los nanotubos imitan a la naturaleza
Con los nuevos métodos, los equipos de investigación han logrado descifrar el transporte de energía en nanotubos de doble pared formados por miles de moléculas de colorantes. Estos pequeños tubos sirven como modelos para las antenas de las bacterias fotosintéticamente activas.
A bajas intensidades de luz, las excitaciones energéticas son transportadas desde la pared exterior a la interior de los tubos. A altas intensidades, por otro lado, las excitaciones sólo se mueven a lo largo de la pared exterior - si dos excitaciones se encuentran allí, una de ellas desaparece. "Este efecto, que se conoce desde hace tiempo, puede hacerse visible directamente con nuestro método por primera vez", dice Brixner.
Las mediciones podrían realizarse combinando el método de espectroscopia bidimensional de interacción excitón-excitón (espectroscopia EEI2D) desarrollado en el grupo Brixner con una disposición microfluídica del grupo Groningen.
La adquisición de datos es mucho más rápida
En el segundo documento, los equipos de investigación también demuestran un nuevo enfoque para medir los flujos de energía. El punto culminante: La velocidad del registro de datos podría aumentar considerablemente en comparación con el estado actual de la técnica. En sólo ocho minutos, fue posible medir hasta 15 espectros 3D diferentes simultáneamente en un solo experimento. Los métodos tradicionales, por otra parte, normalmente requieren varias horas para un solo espectro.
Como base para medir espectros coherentes en tres dimensiones de frecuencia, los investigadores emplearon un método rápido para variar la secuencia temporal de pulsos láser ultracortos. "La expansión del análisis de frecuencia de 2D a 3D y el aumento en el número de interacciones luz-materia de las cuatro habituales en la literatura a seis proporcionan ahora una visión detallada de la dinámica de los estados altamente excitados", dice Brixner.
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Publicación original
S. Mueller, J. Lüttig, P. Malý, L. Ji, J. Han, M. Moos, T. B. Marder, U. H. F. Bunz, A. Dreuw, C. Lambert, and T. Brixner; “Rapid multiple‐quantum three‐dimensional fluorescence spectroscopy disentangles quantum pathways”; Nature Communications; 2019.
B. Kriete, J. Lüttig, T. Kunsel, P. Malý, T. L. C. Jansen, J. Knoester, T. Brixner, and M. S. Pshenichnikov; “Interplay between structural hierarchy and exciton diffusion in artificial light harvesting”; Nature Communications; 2019.
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