Forscher der ETH Zürich und Lausanne haben die Erzeugung und Übertragung von chemischem, phosphoreszierendem und nicht phosphoreszierendem Licht zehnmal effektiver gemacht

Wenn sich Fluoreszenzfarbstoffmoleküle perfekt „einschachteln“, entsteht etwas völlig Neues: ein auf viele Moleküle verteilter Anregungszustand.
Solche kollektiven Anregungen können vielfältig genutzt werden: zum Beispiel für organische Solarpanels, in Sensoren, zur ultraschnellen Datenübertragung oder in der Mikroskopie.
In der Schweiz ist es EMPA-Forschern zusammen mit Kollegen der Eidgenössischen Technischen Hochschulen Zürich und Lausanne, des Paul Scherrer Instituts und von IBM Research Zurich in Rüschlikon gelungen, diese chemischen Lichtverstärker zehnmal effizienter zu machen als zuvor.
„Was wir in diesen Fällen sehen, ist eine viel schnellere Energieübertragung als in jedem Halbleiter“, schwärmt Jakob Heier.
Der Physiker arbeitet in der Abteilung Funktionelle Polymere der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt und die Entdeckung, die er mit seinem Team gemacht hat, könnte in vielen Tätigkeitsbereichen wie der Sensorik, der optischen Datenübertragung oder der Herstellung organischer Stoffe für Aufsehen sorgen Solarzellen.
Es handelt sich um Inseln aus Farbstoffmolekülen mit perfekter innerer Struktur. In der Fachwelt werden solche Strukturen als J-Aggregate bezeichnet. Obwohl sie seit mehr als achtzig Jahren bekannt sind, haben sie in jüngster Zeit erneut die Aufmerksamkeit der Forschung auf sich gezogen.
Dies ist auf das besondere innere elektronische Leben dieser Farbstoffinseln zurückzuführen. Um zu verstehen, was Jakob Heier und seine Kollegen herausgefunden haben, ist ein kurzer Ausflug in die Welt der Farbstoffe hilfreich.
Damit ein Farbstoff leuchten kann, muss das Molekül zunächst aktiviert werden, unter anderem durch Licht. Optische Aufheller in Waschmitteln absorbieren beispielsweise UV-Licht und strahlen bläuliches (sichtbares) Licht aus – weshalb weiße Kleidung im ultravioletten Licht eines Nachtclubs so hell leuchtet.
Das emittierte Licht hat eine geringere Energie als die zur Aktivierung des Farbstoffs verwendeten Photonen, da ein Teil der Energie im Farbstoffmolekül in Schwingungen, also Wärme, umgewandelt wird.

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Teilchen als "Antennen" für die Übertragung von Energiekraft

Die vom Schweizer Wissenschaftler und Surendra Anantharaman, Doktorandin an der EMPA, untersuchten J-Aggregate verhalten sich anders als einzelne Farbstoffmoleküle.
In diesen Molekülinseln sind die Farbstoffmoleküle wohlgeordnet und sehr dicht beieinander, wie Streichhölzer in einer Schachtel. In dieser Konstellation „muss“ das Farbstoffmolekül nicht leuchten, sondern „kann“ seine Energie an ein benachbartes Molekül weitergeben.
Im Vergleich zu klassischen Halbleitern aus Silizium gibt es jedoch einen entscheidenden Unterschied: In einem Silizium-Halbleiter, beispielsweise einer Solarzelle, wird die Anregungsenergie über Ladungsträger, beispielsweise Elektronen, transportiert, die sozusagen durch das Material „springen“. sprechen.
Bei J-Aggregaten hingegen schwingen die Elektronen nur im Farbstoffmolekül hin und her und verlassen es nie. Anstelle von Elektronen werden nur Schwingungen übertragen, ähnlich wie sie in der makroskopischen Welt von Sende- und Empfangsantennen verwendet werden.
Tatsächlich können J-Aggregate Energie in viel kleinerem Maßstab „übertragen“, aber extrem schnell und über Hunderte von Molekülen.

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Von 1936 bis heute hohe Verluste durch „Konstruktionsfehler“ der Anlage

Das Phänomen der J-Aggregate und ihre besondere Energieübertragung wurde erstmals 1936 von Edwin E. Jelley in den USA und Günter Scheibe in Deutschland entdeckt.
Doch bisher gingen rund 95 Prozent der abgestrahlten Energie verloren und konnten nicht weitergeleitet werden. Schuld seien „Konstruktionsfehler“ des Systems.
In Wirklichkeit waren die Moleküle nicht so perfekt ausgerichtet. Und jedes Mal, wenn der Energieimpuls auf seiner Reise durch das J-Aggregat auf einen dieser Defekte traf, wurde der Energietransport unterbrochen.
Eine normale molekulare Vibration beendete die Übertragung, es wurde etwas Wärme erzeugt und das Spiel war vorbei.

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Ein Farbstoff, bei dem 60 Prozent des einfallenden Lichts wieder emittiert werden

Das Team vonEMPA, unterstützt von Forschern derETH in ZürichDell 'EPF von Lausannedas PSI und "IBM Research Zürich, gelang es, a zu entwickeln Färbesystem, in dem bis 60 Prozent Licht eingehend wird neu aufgelegt.
Das bedeutet auch, dass bis 60 Prozent der Energie können verlustfrei übertragen werden: im Vergleich zu zuvor fünf Prozent, dies ist eine Entdeckung von sensationelle Bedeutung.
La Schlüssel zum Erfolg sono zustand le perfekt konstruierte Farbstoffinseln, die in einem Ende erstellt wurden Emulsion aus Wasser und Hexylamin.
EineEmulsion ein Mischung von Flüssigkeitströpfchen in einer anderen Flüssigkeit: Die Milch oder Mayonnaise Es sind Emulsionen, die jeder kennt.
Die Forscher der Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt das haben sie beobachtet keine Emulsion es würde den Job machen.
Es musste ein sog bikontinuierliche Emulsion, was bedeutet, dass die suspendierte Tröpfchen in äußere Flüssigkeit sie müssen nicht voneinander entfernt sein, aber sie müssen haben zu einer Form zusammenfügen Strukturen ähnlich Streifen.
Nur dann der betreffende Farbstoff das Gewünschte bilden Einwandfreie J-Aggregate und es kann "Senden" der absorbierten Energie su lange Distanzen ohne Verluste. So ist die Farbstoffmoleküle sie reihen sich in a aufbikontinuierliche Emulsion, ähnlich wie Streichhölzer in einer Schachtel.
Nur dann ist die Signalübertragung erfolgreich.

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Vor bikontinuierlichen Emulsionen waren Ausfälle die Regel

Die jetzt veröffentlichte Studie erwähnt in guter Tradition wissenschaftlicher Forschung auch die gescheiterten Versuche und die Geschichte des erfolgreichen Experiments. Schließlich sollen Chemiker und Physiker auf der ganzen Welt von der Expertise des EMPA-Teams profitieren können.
Beispielsweise war es nicht möglich, den Farbstoff in Form dünner Filme auf einer festen Oberfläche zu kristallisieren. Zu viele Defekte in den Kristallen machten die Übertragung oft zunichte.
Auch wässrige Lösungen, bei denen der Farbstoff zu winzigen Tröpfchen verklumpt, funktionieren nicht. Nur bikontinuierliche Emulsionen führen zu einer Signalübertragung, und zwar nur dann, wenn in der flüssigen Phase noch einzelne Farbstoffmoleküle verbleiben, die die Löcher in den J-Aggregaten füllen und die Lücken schließen, also die Defekte „reparieren“ können.

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Welche Anwendungen sind konkret denkbar: Zellen und Sensoren?

Bis das Erreichte in einer Emulsion technisch nutzbar gemacht werden kann, haben die Forscher sicherlich noch einen weiten Weg vor sich. Doch die Signalübertragung durch Farbstoffe könnte in viele Bereiche des Alltags vordringen.
Beispielsweise ist es möglich, mit Hilfe dieser Farbstoffe schwaches Infrarotlicht einzufangen und es mit Hilfe von Quantenpunkten in digitale Signale umzuwandeln – ein Segen für Sensorik und Solarzellen, die auch bei sehr hellem Schwachlicht Strom liefern sollen .
Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften eignen sich J-Aggregate auch für Anwendungen in Quantencomputern und der optischen Datenübertragung.
Schließlich könnten die Aggregate von Farbstoffen, die das Signal weiterleiten, bei der Diagnostik lebender Organismen nützlich sein: Infrarotlicht oder Wärmestrahlung dringt tief in menschliches Gewebe ein, ohne Zellen zu schädigen.
J Aggregates könnten diese Strahlung tatsächlich sichtbar machen und digitalisieren. Dies könnte die hochauflösende mikroskopische Bildgebung von lebendem Gewebe erheblich erleichtern und verbessern und zur Bekämpfung von Krankheiten beitragen.

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