Künstliche Photosynthese mit formvollendeten Lichtantennen
Regensburger Physiker weisen nach: Effizienz ist von der Morphologie der Nanoteilchen abhängig
Unsere Versuche, Sonnenenergie zu nutzen, sind bislang noch nicht wirklich effektiv. Dagegen funktioniert es in der Natur schon seit Millionen Jahren auf eindrucksvolle Weise: In den grünen Zellen der Pflanzen fangen Farbstoffmoleküle - die Chlorophylle - die Lichtstrahlen ein bzw. absorbieren sie. Die so gesammelte Energie wird dann von Molekül zu Molekül weitergereicht, bis ein chemischer Prozess erfolgt, der Kohlendioxid und Wasser in Sauerstoff und Zuckerstoffe umwandelt. Dieses erstaunliche Prinzip der Erzeugung von energiereichen Stoffen aus energieärmeren Substanzen ist deshalb schon seit einiger Zeit wesentlicher Gegenstand der Forschung. Seit einigen Jahren geht es in diesem Zusammenhang nicht mehr allein darum, diesen komplexen Vorgang zu verstehen, sondern ihn sogar künstlich nachzubilden.
Um ein Photosynthese-System künstlich herzustellen, benötigt man zunächst einen Stoff, der den ersten Schritt der Photosynthese - das „Sammeln“ bzw. die Absorption von Licht - künstlich nachstellt. Regensburger Forscher um Prof. Dr. John Lupton vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg haben in diesem Zusammenhang einen künstlichen Lichtsammelkomplex auf Halbleiterbasis untersucht und weiterentwickelt. Dieser besteht aus einem Quantenpunkt - bzw. einer Materialstruktur im Nanometerbereich - als Kern sowie vier Quantendrähten als „Antennen“.
Während bisherige Arbeiten den Fokus vor allen Dingen auf der chemischen Zusammensetzung dieser künstlichen Lichtantennen legten, konnten die Regensburger Forscher nun nachweisen, dass der Lichtsammelvorgang auch ganz entscheidend von der Morphologie bzw. der Form der Lichtantennen abhängt. Dass die Form der Nanostrukturen entscheidend ist, konnten die Physiker durch den Einsatz von optischer Spektroskopie - also über die Aufspaltung von Licht in unterschiedliche Farben - aufzeigen. Die Regensburger Wissenschaftler konnten daraus schließen, dass sich während des in Lösung ablaufenden Wachstums einzelner Partikel der Lichtantennen kleine „Beulen“ auf der Außenstruktur bilden, die den Vorgang der Lichtabsorption maßgeblich beeinflussen.
Morphologie wurde, im Gegensatz zur Größe, bislang bei der Charakterisierung von Nanoteilchen nicht als wesentliches Kriterium wahrgenommen. Durch den Einsatz der optischen Spektroskopie konnten die Wissenschaftler nun eine neue Richtung für die Herstellung künstlicher Photosynthese-Systeme vorgeben. „Es wird“, so Prof. Lupton, „in Zukunft darum gehen, die morphologische Vielfalt von Nanoteilchen in diesem Zusammenhang einzuschränken. Wir können uns nun auf die Suche nach den besonders effizienten Formen für den Einsatz bei der künstlichen Photosynthese konzentrieren.“
Originalveröffentlichung: Nicholas J. Borys et al.; "The Role of Particle Morphology in Interfacial Energy Transfer in CdSe/CdS Heterostructure Nanocrystals"; Science 3 December 2010: Vol. 330 no. 6009 pp. 1371-1374
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