Ultraschnelle Polymere
Energie-Superdiffusion über Exzitonen
Forschende des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung entdecken ultraschnellen, weitreichenden und verlustarmen Energietransport in organischen Halbleitern - mit potenziellen Anwendungen in der Lichtsammlung, Biotechnologie und Nanomedizin.
Einem internationalen Forscherteam um Dr. Yuping Shi aund Prof. Dr. Katharina Landfester vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz ist ein bedeutender Durchbruch auf dem Gebiet der organischen Halbleiter gelungen. Zum ersten Mal wurde ein Phänomen, das als „Superdiffusion von Exzitonen“ bekannt ist. Diese Exzitonen sind energetische Quasiteilchen, die entstehen, wenn ein organisches Material Licht absorbiert. Diese Exzitonen wandern durch das molekulare Netzwerk und können zum Beispiel in einer Solarzelle elektrischen Strom oder in einer zellähnlichen Umgebung Sensorsignale erzeugen. Je weiter und schneller sie sich ausbreiten, desto leistungsfähiger wird das Material.
Diese Superdiffusion von Exzitonen wurden in der festen Ablagerung von Polymeren beobachtet - das bedeutet eine extrem schnelle und weitreichende Bewegung von Photo-Exzitonen mit minimalem Energieverlust.
„Diese Erkenntnis bringt uns der Entwicklung organischer Materialien, die Lichtenergie ebenso effizient übertragen können wie photosynthetische Proteinkomplexe und anorganische Halbleiter, einen großen Schritt näher - allerdings zu deutlich niedrigeren Produktionskosten und mit größerer Flexibilität in einer Vielzahl konventioneller und neu entstehender Halbleitertechnologien“, sagt Dr. Shi.
Die Forschenden des MPI-P, der UC Berkeley und der Princeton University untersuchten besonders rotverschobene Copolymere, die tiefrotes bis nahinfrarotes Licht stark absorbieren und darauf reagieren - eine äußerst wünschenswerte Eigenschaft, die durch verlängerte, planare Polymerrückgrate ermöglicht wird. Durch den Einsatz fortschrittlicher Phasenzyklischer Pump-Probe-Spektroskopie zur quantitativen Trennung ansonsten gekoppelter nichtlinearer Einzel-, Zwei- und Drei-Teilchen-Reaktionen konnten sie zum ersten Mal eine Diffusionskonstante von über 0,5 cm²/s (entspricht einer Beweglichkeit von 2000 cm²/(V·s)) und eine Diffusionslänge, die weit über der Filmdicke liegt, feststellen - rekordverdächtige Werte für diese Klasse organischer Systeme.
Eine Schlüsselrolle bei diesem lange gesuchten Prozess spielen so genannte Exzitonen - energetische Quasiteilchen, die entstehen, wenn ein organisches Material Licht absorbiert. Diese Exzitonen wandern durch das molekulare Netzwerk und können zum Beispiel in einer Solarzelle elektrischen Strom oder in einer zellähnlichen Umgebung Sensorsignale erzeugen. Je weiter und schneller sie sich ausbreiten, desto leistungsfähiger wird das Material.
Das internationale Team hat gezeigt, dass diese Anregungen während ihrer Lebensdauer mehrfach aufeinandertreffen können, ohne sich sofort zu vernichten. Diese so genannte „annihilationsbegrenzte“ Superdiffusion führt zu drastisch reduzierten Energieverlusten im Vergleich zum herkömmlichen Diffusionsverhalten, das in der Regel mit hohen Verlustraten verbunden ist.
Eine besonders überraschende Entdeckung: Im Vergleich zu den gut getrennten Ketten in Polymerlösungen zeigten die untersuchten dünnen Filme mit Ketten-Wechselwirkungen eine deutlich geringere Anfälligkeit für energieraubende Wechselwirkungen zwischen mehreren Teilchen. Dies macht sie besonders vielversprechend für Anwendungen in lebenden Zellen. Die Erkenntnisse eröffnen auch neue Möglichkeiten in der Photobiokatalyse, der Biosensorik und der medizinischen Lichttherapie, wo „tote Zonen“, in denen Energie bisher verloren ging, bevor sie genutzt werden konnte - wirksam beseitigt werden könnten. Diese Entdeckung könnte die Entwicklung effizienter, kostengünstiger Geräte revolutionieren - wie etwa organische Solarzellen, die dank dieser Eigenschaften von einfacheren Architekturen profitieren könnten.
Die Forschungsergebnisse des Teams mit Yuping Shi und Katharina Landfester wurden kürzlich in der Fachzeitschrift PNAS veröffentlicht.
