自然界中的光合作用系统非常有效地将能量输送到反应中心，在那里它被转化为对植物有用的形式。科学家们一直以此为灵感来学习如何在分子电子学和其他技术中有效地传输能量。格罗宁根大学的物理学家 Richard Hildner 和他的同事们研究了由纳米纤维制成的人工系统中的能量传输。结果发表在《化学学会杂志》上。

“自然光合作用系统已经经过数十亿年的进化优化。我们发现在人工系统中很难复制这一点，”格罗宁根大学副教授希尔德纳解释说。在细菌或植物的捕光复合物中，光被转化为能量，然后以最小的损失传输到反应中心。

捆绑

五年前，希尔德纳和他的同事开发了一个系统，在该系统中，圆盘状分子被堆叠成长度超过 4 微米、直径仅为 0.005 微米的纳米纤维。相比之下，人类头发的直径为 50 至 100 微米。该系统可以像光合作用系统中的天线一样传输能量。“但我们有时会看到能量传输卡在我们四微米长的纤维中间。系统中的某些东西似乎不稳定，”他回忆道。

为了提高能量传输效率，希尔德纳和他的同事创造了纳米纤维束。“这与普通电子产品中使用的想法相同：非常细的铜线捆绑在一起以形成更坚固的电缆。” 然而，成束的纳米纤维在传输能量方面比单纤维更差。

连贯性

原因是一种称为相干性的现象。当能量被注入构成纤维的分子时，它会产生激发态或激子。然而，这种激发态不是与单个分子相关的能量包。希尔德纳：“能量在几个分子上是离域的，因此它可以快速有效地穿过纤维。” 这种离域意味着能量像波一样从一个分子移动到另一个分子。相比之下，没有相干性，能量仅限于单个分子，并且必须从一个分子跳到另一个分子。这种跳跃是一种慢得多的能量传输方式。

“在捆绑中，连贯性丢失了，”希尔德纳解释说。这是由束施加在其中的每根纤维上的应变引起的。“纤维被压缩，这导致分子的侧基相互碰撞。” 这改变了能源格局。在单根光纤中，几个相邻分子的激发态能量处于同一水平。在束中，分子的局部环境不同，导致能级不同。

自行车之旅

“想象一下，你在骑自行车旅行。旅行的高度轮廓代表了构成纤维的分子的能量水平，”希尔德纳说。“如果你在荷兰骑自行车，你会很快到达目的地，因为地形平坦。相比之下，在阿尔卑斯山，你必须经常骑车上坡，这很困难，而且会减慢你的速度。” 因此，当纤维中分子的能级不同时，传输变得更加困难。

这一发现意味着该团队最初的想法——使用纳米纤维束来提高能量传输效率——结果证明是失败的。然而，他们从中吸取了宝贵的经验教训，现在可以被理论物理学家用来计算如何优化分子纤维中的传输。“我在格罗宁根大学的同事目前正在这样做。但我们已经知道一件事：如果你想在纳米纤维中进行良好的能量传输，不要使用束。”

简单的科学总结

植物和光合细菌通过分子天线捕捉阳光，然后以最小的损失将能量转移到反应中心。科学家们希望制造能够同样有效地传递能量的分子线。格罗宁根大学的科学家通过将某些分子堆叠在一起来制造出微小的纤维。单纤维传输能量，尽管它们有时会发生故障。创建光纤束(就像使用铜线一样)被认为是解决方案，但事实证明并非如此。当能量分散在几个分子上时，能量会快速移动。在单纤维中，这很有效，但在成束纤维中，由于分子经历应变，这种扩散受到阻碍。这些结果可用于更好地了解能量 传输 沿着分子线，这将有助于设计更好的线。