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为什么无序采光系统会产生有序结果:具有无序分子结构的单个集光纳米管仍然以相同的方式传输光能
2020年10月16日    阅读量:     新闻来源:中国玻璃网 meesm.com  |  投稿

科学家通常更喜欢使用有序系统。但是,格罗宁根大学的物理学家和生物物理学家组成的多元化团队发现,具有无序分子结构的单个集光纳米管仍然以相同的方式传输光能。


通过结合光谱学,分子动力学模拟和理论物理学,他们发现了如何在微观尺度上有效地平均化分子水平的无序中国玻璃网meesm.com。结果发表在9月28日的“美国化学会杂志”上。


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双层光收集纳米管由分子构件自组装。它们的灵感来自自然界发现的光合细菌的多壁管状天线网络。


纳米管吸收和传输光能,尽管还不清楚如何。格罗宁根大学超快光谱学教授Maxim Pshenichnikov解释说:“纳米管具有相似的尺寸,但是它们在分子水平上都不同,并且分子以无序的方式排列。”


单分子


普舍尼奇尼科夫小组的博士生比约恩·克里特(Bj?rnKriete)使用光谱法测量了光收集系统的行为,每个光收集系统由几千个分子组成的双壁纳米管组成。


“我们检查了其中约五十个系统,发现它们尽管在分子水平上表现出显着差异,却具有非常相似的光学性质。” 测量单个的光收集系统需要使用最新的单分子光谱技术。早期的研究仅研究包含数百万个此类系统的散装物料。


那么,如何在分子水平上将无序与单个系统对光的有序响应相协调呢?为了回答这个问题,Pshenichnikov得到了格罗宁根大学分子动力学小组和理论物理小组的帮助。博士后研究员Riccardo Alessandri和Anna Bondarenko负责模拟溶液中的纳米管系统。


Alessandri解释说:“模拟一个具有数千个分子的系统,试图以一种有效的方式来计算疾病,这是一个很大的挑战。” 总体而言,模拟包含约450万个原子。


音叉


最后,模拟显示了更大的画面,与Pshenichnikov获得的实验结果一致,但同时也显示了更多的分子细节。这帮助了理论物理学教授Jasper Knoester连接了所有的点。他认识到数据中的一种模式,称为“交易所收缩”。


该效应负责在分子水平上平均小的差异。Knoester解释说:“您可以将其与音叉的经典实验进行比较,在传统实验中,如果音叉的振动频率大致相同,则一个音叉中的振动会传递到第二音叉中。


由光敏系统收集的能量以激子形式传输,激子是量子力学的波函数,与振动相当。每个激子分布超过100到1,000个分子。普谢尼希科夫:“这些分子不是有序的,但它们是通过偶极-偶极耦合连接的。” 这种连接使构成纳米管的分子一起振动。它们之间的微小差异被平均化,这导致具有类似光学特性的光收集系统。


瓦工


现在很清楚如何从无序的分子结构中出现有序的光学行为。分子之间的联系至关重要。Pshenichnikov:“想想一个训练有素的瓦工,他只是以没有特定的方式将砖块放在一起。如果它们彼此牢固地粘合在一起,您仍然会结成坚固的墙。” 


对于纳米管,这意味着在这些光收集系统中一定程度的无序是完全可以接受的。普谢尼希科夫说:“我认为影响甚至更大。” 下一步是研究这些特性如何在系统中显现出来,并将其用于新功能材料的设计和创造中。”


简单科学摘要


格罗宁根大学的科学家创造了一种光收集系统,该系统由双壁纳米管制成,该双壁纳米管由分子构件自组装。一种集光纳米管包含数千个分子。而且,尽管这些管看起来相似并且具有非常相似的光学特性,但是在分子水平上却存在很大差异。


那么,他们仍然如何以同样的方式表现呢?通过模拟纳米管内部原子的相互作用并分析其行为,科学家设法解决了这一难题。光能在纳米管中引起振动,该振动分布在数百个分子中。它们作为一个振动,因为它们通过连接力链接在一起,并且都对大约相同的频率敏感。


比喻是音叉的振动,可以转移到频率相似的第二个货叉。结果表明,功能材料不一定必须高度有序:只要构件牢固地连接在一起,它们就可以协同工作。


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