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Molecole nell’estasi collettiva

Jacob Heyer con campioni di colorante per antenne. credito: emba

“Quello che stiamo vedendo qui è un trasferimento di energia molto più veloce di qualsiasi tipo di semiconduttore”, afferma Jacob Heyer. Il fisico lavora nel Laboratorio per polimeri funzionali dell’Empa e la scoperta fatta da lui e dal suo team potrebbe suscitare scalpore in molti settori, come la tecnologia di rilevamento, la trasmissione di dati ottici o la fabbricazione di celle solari organiche. Si tratta di isole di molecole coloranti con una struttura interna ideale. Tra gli esperti, queste strutture sono chiamate J-aggregati. Sebbene sia noto da più di 80 anni, ha recentemente attirato un rinnovato interesse per la ricerca. Ciò è dovuto alla speciale vita elettronica interna di queste isole di pigmenti.


Per capire cosa hanno scoperto Heier e i suoi colleghi, è utile fare un breve viaggio nel mondo dei coloranti: se un colorante si illumina, la molecola deve prima essere attivata con la luce. Il fotosbiancamento nei detersivi, ad esempio, assorbe la luce UV ed emette una luce bluastra (visibile), motivo per cui i vestiti bianchi brillano così intensamente alla luce UV per il club. La luce emessa è meno in energia Dalla luce utilizzata per attivare il colorante, perché parte dell’energia viene convertita in vibrazioni, cioè calore, nella molecola del colorante.

Molecole come antenne per l’energia

Gli aggregati J studiati da Heier e Empa Ph.D. Lo studente Surendra Anantharaman si comporta diversamente dalla singolarità molecole. In queste isole molecolari, le molecole di colorante sono ben disposte e molto vicine tra loro, come fiammiferi in una scatola. In questa costellazione, la molecola del colorante non “deve” brillare, ma “può” trasmettere la sua energia alla molecola vicina.

Rispetto ai classici semiconduttori al silicio, però, c’è una differenza fondamentale: in un semiconduttore al silicio, come una cella solare, l’energia di eccitazione viene trasferita tramite portatori di carica, ad esempio gli elettroni, che ‘saltano’ attraverso il materiale, così ha detto. D’altra parte, negli aggregati J, gli elettroni oscillano solo avanti e indietro nella molecola del colorante e non la lasciano mai. Invece di elettroni, vengono trasmesse solo oscillazioni, simili alle antenne trasmittenti e riceventi nel mondo macroscopico. In effetti, gli aggregati J possono “trasferire” energia su scala più piccola, molto rapidamente e attraverso centinaia di molecole.

Perdite elevate per 80 anni

Il fenomeno dell’aggregato J e il suo trasferimento di energia furono scoperti per la prima volta nel 1936 da Edwin E. Jelley negli Stati Uniti e da Günter Scheibe in Germania. Ma finora, circa il 95% dell’energia radiante è andata persa e non può essere trasmessa. Gli “errori di costruzione” nel sistema sono stati accusati. In effetti, le molecole non erano del tutto simili. Ogni volta che l’impulso di energia incontra uno di questi difetti durante il suo viaggio attraverso l’aggregato J, il trasferimento di energia viene interrotto. La normale vibrazione molecolare ha interrotto il trasferimento, è stato generato poco calore e il gioco è finito.

giungla perfetta dell’antenna

Il team di Empa, supportato da ricercatori dell’ETH di Zurigo, dell’EPF di Losanna, del PSI e dell’IBM Research di Zurigo, ha sviluppato con successo un sistema di tintura, in cui viene riemessa fino al 60 percento della luce in entrata. Ciò significa anche che fino al 60 percento dell’energia può essere trasmessa senza perdita – rispetto al precedente cinque percento, questa è una sensazione. La chiave del successo sono state le isole di pigmenti elaborate in modo elaborato create in un’emulsione di acqua ed esaammina. Un emulsionante è una miscela di goccioline liquide in un altro liquido: il latte o la maionese sono emulsionanti familiari a tutti.

Non solo qualsiasi emulsionante farà il lavoro, osservano i ricercatori dell’Empa: la cosiddetta emulsione deve essere bidirezionale, il che significa che le goccioline sospese nel liquido esterno non dovrebbero essere lontane l’una dall’altra, ma dovrebbero combinarsi per formare strutture simili a linee. Solo allora il colorante in esame forma gli aggregati J privi di difetti desiderati e può “inviare” l’energia assorbita su lunghe distanze senza perdite. Pertanto, le molecole di colorante si allineano in un’emulsione binaria, simile ai fiammiferi in una lattina. Solo allora lo fa Trasmissione del segnale riuscire.

I fallimenti fanno parte del gioco

Lo studio, che ora è stato anche pubblicato – nella buona tradizione scientifica – rileva tentativi falliti e una storia di esperimenti riusciti. Dopotutto, chimici e fisici di tutto il mondo dovrebbero poter contare sull’esperienza del team dell’Empa. Ad esempio, non è stato possibile cristallizzare il colorante sotto forma di film sottili su una superficie solida. Molti difetti nei cristalli hanno rovinato il processo di trasferimento. Le soluzioni acquose, in cui il colorante si raccoglie in piccole goccioline, non funzionano allo stesso modo. Le emulsioni a due catene trasmettono solo il segnale e solo se ci sono singole molecole di colorante che rimangono nella fase liquida possono riempire i buchi e riempire gli spazi vuoti nell’aggregato J, in altre parole, possono riparare i difetti.

A dire il vero, i ricercatori hanno ancora molta strada da fare prima che ciò che hanno ottenuto nell’emulsione diventi tecnicamente utile. Ma la trasmissione di segnali attraverso i coloranti può penetrare in molte aree della vita quotidiana. Ad esempio, è possibile catturare la debole luce infrarossa con l’aiuto di questi coloranti e convertirli in segnali digitali con l’aiuto di punti quantici – un vantaggio della tecnologia di rilevamento e delle celle solari, che dovrebbero risparmiare elettricità anche con luce molto debole . a causa loro Proprietà uniche, J aggregati sono adatti anche per applicazioni in computer quantistici e Trasmissione dati ottica.

Infine, gli aggregati del colorante conduttore di segnale potrebbero diventare utili nella diagnosi dei tessuti viventi: IR Leggero, o radiazione termica, penetra nei tessuti umani senza danneggiare le cellule. La somma di J può rendere visibile questa radiazione e digitalizzarla. Ciò può facilitare e migliorare notevolmente l’imaging microscopico ad alta risoluzione dei tessuti viventi.


Trasferimento rapido di energia tra diversi partner


maggiori informazioni:
Surendra B. Anantharaman et al, Enhanced Chamber-Quantitative Output Photoluminescence Temperature in Morphology Controlled J Aggregates, scienza avanzata (2021). DOI: 10.1002 / adv.201903080

la citazione: Molecules in Collective Ecstasy (2021, 13 luglio) Estratto il 13 luglio 2021 da https://phys.org/news/2021-07-molecules-ecstasy.html

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