Scienziati dell'Università di Groningen (Paesi Bassi) e dell'Università di Würzburg (Germania) hanno studiato un semplice sistema biomimetico di raccolta della luce utilizzando la spettroscopia avanzata combinata con una piattaforma microfluidica. I nanotubi a doppia parete funzionano in modo molto efficiente a basse intensità luminose, mentre sono in grado di liberarsi dell'energia in eccesso ad alta intensità. Queste proprietà sono utili nella progettazione di nuovi materiali per la raccolta e il trasporto dell'energia dei fotoni. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Comunicazioni sulla natura il 10 ottobre.

La notevole capacità dei complessi fotosintetici naturali di sfruttare in modo efficiente la luce solare, anche in ambienti bui, ha suscitato un interesse diffuso nella decifrazione della loro funzionalità. Comprendere il trasporto di energia su scala nanometrica è fondamentale per una serie di potenziali applicazioni nel campo dell'optoelettronica. La schiacciante complessità dei sistemi fotosintetici naturali, composto da molte sottounità disposte gerarchicamente, ha portato gli scienziati a rivolgere la loro attenzione agli analoghi biomimetici, che sono strutturati come le loro controparti naturali ma possono essere controllati più facilmente.

Molecole che raccolgono luce

Il gruppo Optical Condensed Matter Science e il gruppo Theory of Condensed Matter (entrambi presso lo Zernike Institute for Advanced Materials, University of Groningen) hanno unito le forze con i colleghi dell'Università di Würzburg (Germania) per ottenere un quadro completo del trasporto di energia in un complesso artificiale di raccolta della luce. Hanno usato un nuovo approccio spettroscopico lab-on-a-chip, che combina spettroscopia multidimensionale risolta nel tempo avanzata, microfluidica, e ampia modellizzazione teorica.

Gli scienziati hanno studiato un dispositivo artificiale per la raccolta della luce, ispirato dalla rete di antenne tubolari a più pareti di batteri fotosintetici presenti in natura. Il dispositivo biomimetico è costituito da nanotubi costituiti da molecole che raccolgono la luce, autoassemblato in un nanotubo a doppia parete. "Però, anche questo sistema è piuttosto complesso, " spiega Maxim Pshenichnikov, professore di spettroscopia ultraveloce presso l'Università di Groningen. Il suo gruppo ha ideato un sistema microfluidico, in cui la parete esterna del tubo può essere selettivamente dissolta e, così, spento. "Questo non è stabile, ma nel sistema di flusso, può essere studiato." In questo modo, gli scienziati potrebbero studiare sia il tubo interno che il sistema completo.

Adattamento

A bassa intensità luminosa, il sistema assorbe fotoni in entrambe le pareti, creando eccitazioni o eccitoni. "A causa delle diverse dimensioni delle pareti, assorbono fotoni di diverse lunghezze d'onda, " Spiega Pshenichnikov. "Questo aumenta l'efficienza." Ad alta intensità luminosa, un gran numero di fotoni viene assorbito, creando un numero enorme di eccitoni. "Abbiamo osservato che, quando due eccitoni si incontrano, uno di loro effettivamente cessa di esistere." Questo effetto agisce come una sorta di valvola di sicurezza, poiché un numero elevato di eccitoni potrebbe danneggiare i nanotubi.

Così, gli scienziati hanno anche dimostrato che il nanotubo molecolare a doppia parete è in grado di adattarsi alle mutevoli condizioni di illuminazione. Imitano gli elementi funzionali essenziali della cassetta degli attrezzi di progettazione della natura in condizioni di scarsa illuminazione agendo come antenne altamente sensibili, ma eliminano l'energia in eccesso ad alta intensità quando c'è troppa luce, una situazione che normalmente non si verificherebbe in natura. Entrambe queste proprietà aprono la strada a un migliore controllo del trasporto di energia attraverso materiali molecolari complessi.