I sistemi fotosintetici in natura trasportano l'energia in modo molto efficiente verso un centro di reazione, dove viene convertito in una forma utile per la pianta. Gli scienziati hanno utilizzato questo come ispirazione per imparare a trasportare l'energia in modo efficiente nell'elettronica molecolare e in altre tecnologie. Il fisico Richard Hildner dell'Università di Groningen ei suoi colleghi hanno studiato il trasporto di energia in un sistema artificiale fatto di nanofibre. I risultati sono stati pubblicati nel Giornale della Società Chimica Americana .

"I sistemi fotosintetici naturali sono stati ottimizzati da miliardi di anni di evoluzione. Abbiamo trovato questo molto difficile da copiare nei sistemi artificiali, " spiega Hildner, professore associato presso l'Università di Groninga. Nei complessi che raccolgono la luce di batteri o piante, la luce si trasforma in energia, che viene poi trasportato al centro di reazione con perdite minime.

gruppi

Cinque anni fa, Hildner e i suoi colleghi hanno sviluppato un sistema in cui le molecole a forma di disco sono state impilate in nanofibre con lunghezze superiori a 4 micrometri e un diametro di appena 0,005 micrometri. A confronto, il diametro di un capello umano è compreso tra 50 e 100 micrometri. Questo sistema può trasportare energia come le antenne nei sistemi fotosintetici. "Ma a volte abbiamo visto che il trasporto di energia si è bloccato nel mezzo delle nostre fibre lunghe quattro micrometri. Qualcosa nel sistema sembrava essere instabile, "ricorda.

Per migliorare l'efficienza del trasporto energetico, Hildner e i suoi colleghi hanno creato fasci di nanofibre. "Questa è la stessa idea che viene utilizzata nella normale elettronica:fili di rame molto sottili sono raggruppati insieme per creare un cavo più robusto". Però, le nanofibre in bundle si sono rivelate peggiori nel trasporto di energia rispetto alle singole fibre.

Coerenza

La ragione è un fenomeno chiamato coerenza. Quando l'energia viene immessa nelle molecole che compongono le fibre, crea uno stato eccitato o eccitone. Però, questo stato eccitato non è un pacchetto di energia associato a una singola molecola. Hildner:"L'energia è delocalizzata su più molecole e può, perciò, muoversi velocemente ed efficientemente attraverso la fibra." Questa delocalizzazione significa che l'energia si sposta come un'onda da una molecola all'altra. Al contrario, senza coerenza, l'energia è limitata a una singola molecola e deve saltare da una molecola all'altra. Tale salto è un modo molto più lento di trasportare energia.

"Nei mazzi, si perde la coerenza, " spiega Hildner. Ciò è causato dalla tensione che il fascio impone su ciascuna fibra al suo interno. "Le fibre sono compresse, e questo fa sì che i gruppi laterali delle molecole si schiantino l'uno contro l'altro." Questo cambia il panorama energetico. In una singola fibra, l'energia degli stati eccitati di più molecole vicine sono allo stesso livello. In un fascio, gli ambienti locali delle molecole differiscono, portando a una differenza nei livelli di energia.

Tour in bici

"Immagina di essere in un tour in bicicletta. Il profilo in altezza del tour rappresenta i livelli di energia nelle molecole che compongono le fibre, " dice Hildner. "Se vai in bicicletta nei Paesi Bassi, arriverai a destinazione velocemente perché il terreno è pianeggiante. In contrasto, nelle Alpi, devi pedalare in salita abbastanza spesso, che è dura e ti rallenta." Così, quando i livelli di energia delle molecole nelle fibre sono diversi, il trasporto diventa più difficile.

Questa scoperta significa che l'idea originale del team di aumentare l'efficienza del trasporto energetico utilizzando fasci di nanofibre si è rivelata un fallimento. Però, hanno imparato lezioni preziose da questo, che ora può essere utilizzato dai fisici teorici per calcolare come ottimizzare il trasporto nelle fibre molecolari. "I miei colleghi dell'Università di Groningen stanno attualmente facendo proprio questo. Ma sappiamo già una cosa:se vuoi un buon trasporto di energia nelle nanofibre, non utilizzare bundle."

Riassunto semplice di scienza

Piante e batteri fotosintetici catturano la luce solare tramite antenne molecolari, che poi trasferiscono l'energia ad un centro di reazione con perdite minime. Gli scienziati vorrebbero realizzare fili molecolari in grado di trasferire energia in modo altrettanto efficiente. Gli scienziati dell'Università di Groningen hanno creato minuscole fibre impilando insieme alcune molecole. Le singole fibre trasportano energia, anche se a volte non funzionano correttamente. Si pensava che la soluzione fosse la creazione di fasci di fibre (come si fa con il cablaggio in rame), ma non è stato così. L'energia si muove velocemente quando viene distribuita su più molecole. Nelle singole fibre, questo funziona bene ma in fibre in bundle, questa diffusione è ostacolata poiché le molecole subiscono uno sforzo. Questi risultati possono essere utilizzati per comprendere meglio il trasporto di energia lungo i fili molecolari, che aiuterà nella progettazione di cavi migliori.