Untersuchung von Lichtsammelmechanismen in natürlichen und künstlichen Systemen mit atomarer Präzision

• Antragstellerin: Dr. Anna Roslawska
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 534367924

In vielen Bereichen des Lebens, und auch in der Technologie, ist die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie von zentraler Bedeutung. Seien es Photosynthese, Lumineszenz, oder Energiegewinnung, all diese Prozesse beruhen auf der effizienten Absorption oder Emission von Photonen und dem Transport der Anregungsenergie innerhalb eines Systems. Wie bei der Photosynthese, sind der Absorptionsprozess und die dadurch schließlich ausgelöste chemische Reaktion durch viele Energieübertragungsschritte getrennt. Während die grundlegenden Prozesse, die die Energieumwandlung steuern, hinreichend beschrieben sind, müssen viele Details noch geklärt werden. Dazu gehört die Rolle von Molekülschwingungen, die Kohärenz und die Beteiligung angeregter Zustände. Eine der Herausforderungen bei der Untersuchung dieser Mechanismen besteht darin, dass die Parameter, die auf der Größenskala einer einzelnen Einheit (< 1 nm) auftreten, die Stärke der Wechselwirkung zwischen einzelnen Pigmenten und damit die gesamte Energieumwandlungseffizienz des Prozesses beeinflussen. Diese Details bleiben verborgen sofern die Untersuchung mit üblichen Methoden erfolgt, die eine Mittelung über ein Ensemble vornehmen. Sobald die Bedeutung der Umgebung jedes Pigments auf atomarer Skala für die Absorptionseffizienz und den Energietransfer gut verstanden wird, kann dies zur Entwicklung besser angepasster Moleküle und Strukturen genutzt werden, die in der Lage sind, Photonen optimal zu absorbieren und die gesammelte Energie zu transportieren. Dieses Projekt stellt sich der Herausforderung, die Licht-Materie-Wechselwirkung in biologisch relevanten und in künstlichen, molekularen Systemen mit atomarer Auflösung zu untersuchen. Dazu werden wir Moleküle, wie beispielsweise Chlorophyll und Karotin verwenden, die in der Photosynthese eine entscheidende Rolle spielen, und aus ihnen Nanostrukturen zusammenbauen, die in der Lage sind, einzelne Photonen zu absorbieren. Mit ihnen kann die sich fortpflanzende Anregungsenergie und deren schließliche Umwandlung in separate Ladungsträger untersucht werden. Dank dieses Ansatzes werden wir erstmalig in der Lage sein, entscheidende Schritte bei der Sammlung von Lichtenergie in natürlichen Systemen mit atomarer Präzision zu erforschen. Darüber hinaus werden wir uns auf den Einfluss von struktureller Anordnung, dem Vorhandensein verschiedener Molekülspezies, einzelner Ladungen, molekularer Schwingungen, der Wechselwirkung mit der unmittelbaren Umgebung sowie der Bedeutung der Kohärenz bei den vom Licht initiierten Prozessen konzentrieren. Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse werden wir künstliche Strukturen entwickeln und mit atomarer Genauigkeit herstellen. Ziel ist die effiziente Zusammenführung der Lichtenergie und ihre Weiterleitung in jedem gegebenen System, besonders aber in künstlich hergestellten organischen Materialien. Entscheidend für den Erfolg ist das Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen auf atomarer Ebene.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: Optical spectrometer
• Gerätegruppe: 1800 Spektralphotometer (UV, VIS), Spektrographen (außer Monochromatoren 565)