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为什么无序的光收集系统会产生有序的结果

人工智能 2021-06-25 16:18:01

科学家通常更喜欢使用有序系统。然而,来自格罗宁根大学的一个由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吸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,他们发现了分子水平的无序如何在微观尺度上有效地平均化。结果于 9 月 28 日发表在《美国化学学会杂志》上。

双壁捕光纳米管由分子构建块自组装。它们的灵感来自自然界中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,尽管还不完全清楚是如何吸收和传输光能的。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,但它们在分子水平上都不同,分子以无序方式排列。”

单分子

Björn Kriete,博士 Pshenichnikov 小组的学生使用光谱学测量光收集系统的行为,每个系统由一个由几千个分子组成的双壁纳米管组成。“我们检查了大约 50 个这样的系统,发现它们具有非常相似的光学特性,尽管在分子水平上表现出显着差异。” 测量单个光收集系统需要使用最新的单分子光谱技术。早期的研究只关注包含数百万个这些系统的散装材料。

那么,分子水平的无序如何与单个系统对光的非常有序的反应相协调?为了回答这个问题,Pshenichnikov 得到了格罗宁根大学分子动力学组和理论物理组的帮助。博士后研究人员 Riccardo Alessandri 和 Anna Bondarenko 负责模拟溶液中的纳米管系统。“模拟具有数千个分子的系统,并试图以有效的方式计算无序是一项相当大的挑战,”亚历山德里解释说。总体而言,模拟包含大约 450 万个原子。

音叉

最后,模拟揭示了一个更大的图景,与Pshenichnikov 获得的实验结果一致,但也揭示了更多的分子细节。这帮助理论物理学教授 Jasper Knoester 将所有点联系起来。他在数据中识别出一种模式,称为“交换变窄”。这种效应负责平均化分子水平上的微小差异。“你可以将其与经典的音叉实验进行比较,其中一个振动如果音叉调到大致相同的频率,它可以转移到第二个音叉上,”Knoester 解释说。

光敏系统收集的能量以激子的形式传输,激子是量子力学波函数,可与振动相媲美。每个激子分布在 100 到 1,000 个分子上。Pshenichnikov 说:“这些分子不是有序的,而是通过偶极-偶极耦合连接起来的。” 这种连接允许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,从而产生具有相似光学特性的光收集系统。

瓦工

现在很清楚有序的光学行为是如何从无序的分子结构中产生的。分子之间的联系至关重要。Pshenichnikov 说:“想想一个训练有素的砌砖工,他只是把砖块按照没有特定的模式拼凑在一起。如果它们彼此粘合得很好,你最终还是会得到一堵坚固的墙。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。Pshenichnikov 说:“我相信影响范围更广。” “下一步是研究这些特性如何在系统中出现,并将其用于新功能材料的设计和创造。”

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