Os cientistas geralmente preferem trabalhar com sistemas ordenados. Contudo, uma equipe diversificada de físicos e biofísicos da Universidade de Groningen descobriu que nanotubos coletores de luz individuais com estruturas moleculares desordenadas ainda transportam energia luminosa da mesma maneira. Ao combinar a espectroscopia, simulações de dinâmica molecular e física teórica, eles descobriram como a desordem no nível molecular é efetivamente calculada na escala microscópica. Os resultados foram publicados no dia 28 de setembro no Jornal da American Chemical Society .

Os nanotubos de coleta de luz de parede dupla se auto-montam a partir de blocos de construção moleculares. Eles são inspirados na rede de antenas tubulares de paredes múltiplas de bactérias fotossintéticas encontradas na natureza. Os nanotubos absorvem e transportam energia luminosa, embora não esteja totalmente claro como. "Os nanotubos têm tamanhos semelhantes, mas são todos diferentes no nível molecular, com as moléculas organizadas de forma desordenada, "explica Maxim Pshenichnikov, Professor de Espectroscopia Ultra-rápida da Universidade de Groningen.

Molécula única

Björn Kriete, um Ph.D. estudante do grupo de Pshenichnikov, usou espectroscopia para medir como os sistemas de coleta de luz, cada um consistindo de um nanotubo de parede dupla composto por alguns milhares de moléculas, comportado. "Examinamos cerca de cinquenta desses sistemas e descobrimos que eles tinham propriedades ópticas muito semelhantes, apesar de mostrarem diferenças significativas no nível molecular." A medição de sistemas individuais de coleta de luz requer o uso das mais recentes técnicas de espectroscopia de molécula única. Estudos anteriores analisaram apenas o material a granel que contém milhões desses sistemas.

Então, como pode a desordem no nível molecular ser reconciliada com as respostas muito ordenadas dos sistemas individuais à luz? Para responder a esta pergunta, Pshenichnikov recebeu ajuda do grupo de Dinâmica Molecular e do grupo de Física Teórica da Universidade de Groningen. Os pesquisadores de pós-doutorado Riccardo Alessandri e Anna Bondarenko foram os responsáveis ​​por simular o sistema de nanotubos em solução. "Foi um grande desafio simular um sistema com milhares de moléculas, para tentar calcular a desordem de uma forma eficiente, "Alessandri explica. No geral, a simulação continha cerca de 4,5 milhões de átomos.

Diapasões

No fim, a simulação revelou um quadro maior que estava de acordo com os resultados experimentais obtidos por Pshenichnikov, mas também revelou detalhes moleculares adicionais. Isso ajudou Jasper Knoester, Professor de Física Teórica, para conectar todos os pontos. Ele reconheceu um padrão nos dados que é conhecido como 'estreitamento de troca'. "Este efeito é responsável por calcular a média de pequenas diferenças no nível molecular." Você pode compará-lo ao experimento clássico com diapasões em que uma vibração em um bifurcação pode ser transferida para uma segunda bifurcação se estiver sintonizada com aproximadamente a mesma frequência, "Knoester explica.

A energia que é coletada pelos sistemas sensíveis à luz é transportada na forma de excitons, que são funções de onda da mecânica quântica, comparável a vibrações. Cada exciton se espalha por 100 para 1, 000 moléculas. Diz Pshenichnikov, "Essas moléculas não são ordenadas, mas eles estão ligados através do acoplamento dipolo-dipolo. "Esta ligação permite que as moléculas que compõem os nanotubos vibrem juntas. Pequenas diferenças entre elas são calculadas, o que resulta em sistemas de coleta de luz com propriedades ópticas semelhantes.

Pedreiro

Agora está claro como o comportamento óptico ordenado pode emergir de uma estrutura molecular desordenada. A ligação entre as moléculas é vital. Pshenichnikov afirma, "Pense em um pedreiro mal treinado, que apenas junta tijolos em nenhum padrão particular. Se eles estão bem cimentados um ao outro, você ainda acaba com uma parede forte. "Para os nanotubos, isso significa que uma certa quantidade de desordem é bastante aceitável nesses sistemas de coleta de luz. "Eu acredito que as implicações são ainda mais amplas, "diz Pshenichnikov." O próximo passo é investigar como essas propriedades podem surgir em sistemas e usar isso no projeto e na criação de novos materiais funcionais. "