Gli scienziati in genere preferiscono lavorare con sistemi ordinati. Però, un team eterogeneo di fisici e biofisici dell'Università di Groningen ha scoperto che i singoli nanotubi che raccolgono la luce con strutture molecolari disordinate trasportano ancora l'energia luminosa allo stesso modo. Combinando la spettroscopia, simulazioni di dinamica molecolare e fisica teorica, hanno scoperto come il disordine a livello molecolare viene effettivamente mediato su scala microscopica. I risultati sono stati pubblicati il ​​28 settembre nel Giornale della Società Chimica Americana .

I nanotubi a doppia parete che raccolgono la luce si autoassemblano da blocchi molecolari. Sono ispirati alla rete di antenne tubolari a più pareti di batteri fotosintetici presenti in natura. I nanotubi assorbono e trasportano energia luminosa, anche se non era del tutto chiaro come. "I nanotubi hanno dimensioni simili ma sono tutti diversi a livello molecolare con le molecole disposte in modo disordinato, " spiega Maxim Pshenichnikov, Professore di spettroscopia ultraveloce presso l'Università di Groningen.

Molecola singola

Björn Kriete, un dottorato di ricerca studente nel gruppo di Pshenichnikov, utilizzato la spettroscopia per misurare come i sistemi di raccolta della luce, ciascuno costituito da un nanotubo a doppia parete composto da poche migliaia di molecole, educato. "Abbiamo esaminato una cinquantina di questi sistemi e abbiamo scoperto che avevano proprietà ottiche molto simili nonostante mostrassero differenze significative a livello molecolare". La misurazione di singoli sistemi di raccolta della luce richiede l'uso delle più recenti tecniche di spettroscopia a singola molecola. Studi precedenti hanno esaminato solo materiale sfuso che contiene milioni di questi sistemi.

Così, come conciliare il disordine a livello molecolare con le risposte molto ordinate dei sistemi individuali alla luce? Per rispondere a questa domanda, Pshenichnikov ha ricevuto aiuto sia dal gruppo di dinamica molecolare che dal gruppo di fisica teorica presso l'Università di Groningen. I ricercatori post-dottorato Riccardo Alessandri e Anna Bondarenko sono stati responsabili della simulazione del sistema di nanotubi in soluzione. "È stata una vera sfida simulare un sistema con migliaia di molecole, cercare di calcolare il disturbo in modo efficiente, " spiega Alessandri. Nel complesso, la simulazione conteneva circa 4,5 milioni di atomi.

Diapason

Alla fine, la simulazione ha rivelato un quadro più ampio che era in accordo con i risultati sperimentali ottenuti da Pshenichnikov, ma ha anche rivelato ulteriori dettagli molecolari. Questo ha aiutato Jasper Knoester, Professore di Fisica Teorica, per collegare tutti i punti. Ha riconosciuto uno schema nei dati che viene definito 'restringimento dello scambio'". Questo effetto è responsabile della media delle piccole differenze a livello molecolare. "Puoi paragonarlo all'esperimento classico con i diapason in cui una vibrazione in uno la forcella può trasferirsi a una seconda forcella se è sintonizzata all'incirca sulla stessa frequenza, "Spiega Knoester.

L'energia raccolta dai sistemi fotosensibili viene trasportata sotto forma di eccitoni, che sono funzioni d'onda quantomeccaniche, paragonabile alle vibrazioni. Ogni eccitone si estende da 100 a 1, 000 molecole. Dice Psenichnikov, "Queste molecole non sono ordinate, ma sono collegati attraverso l'accoppiamento dipolo-dipolo." Questo collegamento consente alle molecole che compongono i nanotubi di vibrare insieme. Piccole differenze tra loro vengono mediate, che si traduce in sistemi di raccolta della luce che hanno proprietà ottiche simili.

Muratore

È ora chiaro come un comportamento ottico ordinato possa emergere da una struttura molecolare disordinata. Il legame tra le molecole è vitale. Psenichnikov afferma, "Pensa a un muratore mal addestrato, che mette insieme i mattoni senza uno schema particolare. Se sono ben cementati tra loro, finisci comunque con un muro forte." Per i nanotubi, ciò significa che una certa quantità di disordine è abbastanza accettabile in questi sistemi di raccolta della luce. "Credo che le implicazioni siano ancora più ampie, " afferma Pshenichnikov. "Il passo successivo è indagare su come queste proprietà possono emergere nei sistemi e utilizzarle nella progettazione e creazione di nuovi materiali funzionali".