Nieuwe experimenten onthullen dat energieoverdracht in moleculen afhankelijker is van trillingen dan voorheen gedacht. Een blik in het quantenlabor biedt fascinerende inzichten.
Energieoverdracht in moleculen is één van de fundamentele vragen in de natuurkunde en scheikunde. Het bepaalt hoe fotosynthese werkt, hoe zonnepanelen licht in elektriciteit omzetten, of hoe ladingen door organische materialen bewegen. Lange tijd was dit proces moeilijk te onderzoeken, omdat individuele invloedsfactoren experimenteel nauwelijks van elkaar konden worden gescheiden. Een team onder leiding van Guido Pagano van de Rice University toont nu aan dat dit mogelijk is – met behulp van een speciaal gebouwde quantumsimulator.
Een kunstmatig molecuul bouwen
In plaats van een echt molecuul te bestuderen, bouwden de onderzoekers een kunstmatige versie. De basis was een keten van gevangen ionen, oftewel elektrisch geladen atomen, die met laserlicht nauwkeurig kunnen worden gecontroleerd. Twee verschillende isotopen van hetzelfde element kregen duidelijk gescheiden rollen toebedeeld. Het ene isotopencodeerde de eigenschappen van het molecuul zelf, terwijl het andere de omgeving vormde.
Dit systeem gedraagt zich als een molecuul met twee energieniveaus: een donorplek die energie afgeeft en een acceptorplek die deze opneemt. Trillingen spelen daarnaast ook een belangrijke rol – vergelijkbaar met de vibraties van echte moleculen. Juist deze trillingen worden al jaren beschouwd als de sleutel tot een betere begrip van energieoverdracht.
Waarom trillingen meer zijn dan slechts achtergrondgeluiden
In klassieke modellen werden moleculaire trillingen vaak als een storende factor gezien. Ze onttrekken energie aan het systeem en bemoeilijken een schone overdracht. Het nieuwe experiment biedt een gedifferentieerder beeld. De onderzoekers konden twee verschillende soorten trillingen doelbewust instellen en bovendien bepalen hoeveel energie verloren ging aan de omgeving.
“We kunnen nu observeren hoe energie beweegt in een synthetisch molecuul, terwijl we elke variabele onafhankelijk aanpassen om te zien wat echt belangrijk is,” zegt Pagano.
Het cruciale punt is dat trillingen extra wegen openen waarlangs energie van de donor naar de acceptor kan reizen. In sommige configuraties versterken deze wegen elkaar zelfs. Het resultaat is een snellere en robuustere energietransfer – zelfs wanneer het systeem voortdurend energie aan zijn omgeving afgeeft.
Controle in plaats van chemische willekeur
In echte moleculen zijn elektronische toestanden, trillingen en omgevingsinvloeden nauw met elkaar verbonden. Wanneer je een parameter wijzigt, beïnvloedt dit bijna altijd meerdere andere. De quantumsimulator omzeilt dit probleem. Lasers met nauwkeurig afgestelde frequenties creëren de gewenste energietoestanden en koppelen deze doelbewust aan de trillingen. Een extra mechanisme zorgt ervoor dat de trillingen energie mogen verliezen – vergelijkbaar met echte materialen.
Dit resulteert in een experimentele situatie die klassieke scheikunde nauwelijks kan bieden: elke parameter kan afzonderlijk worden aangepast. Zo wordt zichtbaar welke factoren de energiestroom daadwerkelijk bepalen en welke slechts bijverschijnselen zijn.
Verbaasde robuustheid van de energiestroom
Een centraal resultaat van het werk betreft de zogenaamde energieafstemming. Normaal gesproken vindt een efficiënte overdracht alleen plaats wanneer de donor- en acceptorenergien goed op elkaar aansluiten. Afwijkingen kunnen de stroom verstoren. In het experiment bleek echter dat bij meerdere trillingen deze afstemming aan betekenis verliest. De energietransfer blijft efficiënt over een veel breder bereik.
“De resultaten tonen aan dat trillingen en hun omgeving niet zomaar achtergrondruis zijn, maar de energiestroom op onverwachte manieren actief kunnen beïnvloeden,” voegt Pagano toe.
Dit experiment daagt een wijdverspreid beeld van energieoverdracht uit. Het suggereert dat doelbewust ontworpen trillingen een instrument kunnen zijn om energiefluxen te sturen.
Relevant voor technologie en materialen
De onderzoekers zijn voorzichtig met directe toepassingen. Toch is het duidelijk waar de resultaten op de lange termijn bruikbaar kunnen zijn. Organische zonnepanelen, moleculaire draden of lichtactieve materialen ondervinden vaak verliezen bij de energie- of ladingsoverdracht. Wie begrijpt hoe trillingen dit proces ondersteunen, kan materialen ontwerpen zodat ze hiervan profiteren.
“Dit zijn fenomenen waarvan de existentie door fysisch chemici theoretisch is aangenomen, maar die tot nu toe experimenteel moeilijk te isoleren waren, vooral niet op programmeerbare wijze,” stelt Visal So, promovendi aan de Rice University en hoofdauteur van de studie.
