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Energieübertragung Farbstoffinseln als molekulare Antennen

Autor / Redakteur: Rainer Klose* / Christian Lüttmann

Dass Fluoreszenzfarbstoffe nicht nur schön bunt sind, zeigen Forscher der Empa-Abteilung „Functional Polymers“. Die Wissenschaftler haben Farbstoffmoleküle zu geordneten Kollektiven zusammengebracht und sie so in eine Art chemische Antenne verwandelt. Damit lässt sich Energie extrem schnell und effizient durch ein Medium übertragen – potenziell nützlich für Solarzellen oder Quantencomputer.

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Energie-Vibration: Dr. Jakob Heier mit Proben seines „Antennen-Farbstoffs“
Energie-Vibration: Dr. Jakob Heier mit Proben seines „Antennen-Farbstoffs“
(Bild: Empa)

Dübendorf, Zürich/Schweiz – Die Forscher in der Empa-Abteilung „Functional Polymers“ treiben es bunt: Sie experimentieren mit Farbstoffmolekülen, die besondere Eigenschaften haben. Die Moleküle ermöglichen eine Energieübertragung, die wesentlich schneller abläuft als in jedem Halbleiter, wie der Gruppenleiter Dr. Jakob Heier erklärt. Die Entdeckung, die er mit seinem Team gemacht hat, könnte Bewegung in vielerlei Bereiche bringen – etwa die Sensorik, die optische Datenübertragung oder die Fabrikation organischer Solarzellen. Die Rede ist von Inseln aus Farbstoffmolekülen mit perfekter, innerer Struktur. In der Fachwelt werden solche Gebilde J-Aggregate genannt. Sie sind zwar schon seit mehr als 80 Jahren bekannt, erfreuen sich aber jüngst einer besonderen Aufmerksamkeit in der Forschung. Das liegt am besonderen elektronischen Innenleben dieser Farbstoffinseln.

Um zu verstehen, was Heier und seine Kollegen gefunden haben, hilft eine kurze Exkursion in die Welt der Farbstoffe: Wenn ein Farbstoff leuchten soll, muss das Molekül vorher aktiviert werden – ebenfalls mit Licht. Optische Aufheller in Waschmitteln absorbieren z. B. UV-Licht und geben bläuliches (sichtbares) Licht ab – daher leuchten weiße Kleidungsstücke im UV-Licht einer Diskothek so kräftig blau. Das abgegebene Licht ist dabei energieärmer als das eingestrahlte, denn ein Teil der Energie wird im Farbstoffmolekül in Schwingungen, also Wärme, umgewandelt.

Ordnung wie in der Streichholzschachtel

Ähnlich wie Streichhölzer in einer Schachtel reihen sich Farbstoffmoleküle an den Phasengrenzen einer bikontinuierlichen Emulsion aneinander. Nur so gelingt die Signalübertragung.
Ähnlich wie Streichhölzer in einer Schachtel reihen sich Farbstoffmoleküle an den Phasengrenzen einer bikontinuierlichen Emulsion aneinander. Nur so gelingt die Signalübertragung.
(Bild: Empa)

Die von Heier und dem Empa-Doktoranden Surendra Anantharaman untersuchten J-Aggregate verhalten sich anders als einzelne Farbmoleküle. In diesen Molekülinseln liegen die Farbstoffmoleküle gut sortiert eng aneinander, ähnlich wie Streichhölzer in einer Schachtel.

Das Farbstoffmolekül „muss“ in dieser Konstellation nicht leuchten, sondern „kann“ seine Energie auch an ein Nachbarmolekül weitergeben. Doch im Vergleich zu klassischen Halbleitern aus Silizium gibt es einen wichtigen Unterschied: In einem Silizium-Halbleiter, etwa einer Solarzelle, wird die Anregungsenergie über Ladungsträger transportiert, z. B. über Elektronen, die gewissermaßen durchs Material hüpfen. In J-Aggregaten dagegen schwingen die Elektronen nur im Farbstoffmolekül hin und her und verlassen dieses nie. Statt ganzer Elektronen werden also nur Schwingungen übertragen – ähnlich wie bei Sende- und Empfangsantennen in der makroskopischen Welt. J-Aggregate senden sozusagen Energie in kleinstem Maßstab– extrem schnell und über viele hundert Moleküle hinweg.

Historisch verlustreiche Ausbeute

Das Phänomen der J-Aggregate und ihrer besonderen Energieübertragung ist bereits 1936 von Edwin E. Jelley in den USA und Günter Scheibe in Deutschland unabhängig voneinander entdeckt worden. Doch bislang gingen rund 95 Prozent der eingestrahlten Energie verloren und konnten nicht weitergeleitet werden. Schuld waren Baufehler im System: Die Moleküle waren in der Realität nicht so perfekt aneinandergereiht wie benötig. Wann immer der Energieimpuls bei seiner Reise durch das J-Aggregat auf eine dieser Defektstellen traf, wurde der Transportprozess unterbrochen: Eine ordinäre Molekülschwingung beendete die Übertragung unter leichter Wärmeabgabe.

Der perfekte Antennenwald

Dem Empa-Team gelang es nun, unterstützt von Forschern der ETH Zürich, der EPF Lausanne, dem PSI und der IBM Research Zürich, ein Farbstoffsystem zu entwickeln, in welchem bis zu 60 Prozent des eingestrahlten Lichtes auch wieder als Licht abgestrahlt wird. Das heißt gleichzeitig, dass bis zu 60 Prozent der Energie verlustfrei weitergeleitet werden können – im Vergleich zu den bisher möglichen fünf Prozent ist das ein großer Fortschritt. Der Schlüssel zum Erfolg waren perfekt gebaute Farbstoffinseln, die in einer feinen Emulsion aus Wasser und Hexylamin entstanden waren.

Die Empa-Forscher beobachteten, dass nicht jede Emulsion funktionierte: Es musste eine so genannte bikontinuierliche Emulsion sein, d. h. die Tröpfchen, die in der äußeren Flüssigkeit schweben, dürfen nicht voneinander entfernt sein, sondern müssen sich zu schlierenförmigen Gebilden vereinigt haben. Erst dann bildet der untersuchte Farbstoff die fehlerfreien J-Aggregate und kann die aufgenommene Energie verlustfrei über weite Strecken senden.

Potenzial für Solarzellen und Quantencomputer

Wenn die Wissenschaftler ihre Farbstoff-Emulsionen eines Tages technisch nutzbar machen können, wäre dies in vielen Bereichen einzusetzen. So ist es etwa möglich, schwaches Infrarotlicht mithilfe dieser Farbstoffe einzufangen und es mit Quantenpunkten in digitale Signale zu verwandeln – ein Vorteil für die Sensorik oder für Solarzellen, die auch bei sehr schwachem Licht Elektrizität liefern sollen. Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften bieten sich J-Aggregate auch für Anwendungen in Quantencomputern und in der optischen Datenübertragung an.

Schließlich könnten die signalleitenden Farbstoff-Aggregate bei der Diagnostik in lebendem Gewebe nützlich werden: Infrarotlicht dringt tief in menschliches Gewebe ein, ohne die Zellen zu schädigen. J-Aggregate könnten diese Strahlung sichtbar machen und digitalisieren. Dies könnte hochauflösende Mikroskopaufnahmen in lebendem Gewebe deutlich erleichtern und verbessern.

Originalpublikation: SB Anantharaman, J Kohlbrecher, G Rainò, S Yakunin, T Stöferle, J Patel, M Kovalenko, RF Mahrt, FA Nüesch, J Heier: Enhanced Room-Temperature Photoluminescence Quantum Yield in Morphology Controlled J-Aggregates, Advanced Science Volume 8, Issue 4, February 17, 2021; DOI: 10.1002/advs.201903080.

* R. Klose, EMPA Eidgenössische Material- Prüfungs-und Forschungsanstalt, 8600 Dübendorf/Schweiz

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