Işık Enerjisi Depolayan Düzensiz Yapıdaki Nanotüplerin Nasıl Düzenli Yanıtlar Oluşturabildiği Keşfedildi

Bilim insanlarının genellikle düzenli yapıdaki sistemlerle çalışmayı tercih etmelerine rağmen, Groningen Üniversitesi’nden çeşitli fizikçi ve biyofizikçilerden oluşan ekip, ışık enerjisi depolayan düzensiz moleküler yapıya sahip nanotüplerin, ışık enerjisini normal bir şekilde taşıdığını keşfetti.

Spektroskopi, moleküler dinamik simülasyonları ve teorik fiziği birleştirerek moleküler düzeydeki bozukluğun mikroskobik ölçekte nasıl etkili bir şekilde ortalamasının alındığını keşfettiler. Sonuçlar 28 Eylül’de American Chemical Society Dergisi’nde yayınlandı.

Çift duvarlı ışık toplayan nanotüpler, moleküler yapı taşlarından kendi kendine meydana gelir. Bu yapılar, doğada bulunan fotosentetik bakterilerin çok duvarlı tübik anten ağından esinlenmiştir. Nanotüpler ışık enerjisini emer ve taşır, ancak bunun nasıl olduğu tam olarak belli değildir. Groningen Üniversitesi’nde Ultra Hızlı Spektroskopi Profesörü Maxim Pshenichnikov, bu durumu “Nanotüpler benzer boyutlara sahipler ancak moleküler düzeyde, düzensiz bir şekilde düzenlenmiş moleküller nedeniyle farklılar” şeklinde açıklıyor.

Tek Molekül

Pshenichnikov’un grubunda doktora öğrencisi olan Björn Kriete, her biri birkaç bin molekül içeren çift duvarlı bir nanotüpten oluşan ışık toplama sistemlerinin nasıl davrandığını ölçmek için spektroskopi kullandı. “Bu sistemlerden yaklaşık elli tanesini inceledik ve moleküler düzeyde önemli farklılıklar göstermelerine rağmen çok benzer optik özelliklere sahip olduklarını gördük.” Tekil ışık toplama sistemlerinin ölçülmesi, son çıkan tek moleküllü spektroskopi tekniklerinin kullanılmasını gerektirir. Daha önceki çalışmalar, yalnızca bu sistemlerden milyonlarca içeren yığın halindeki malzemeleri incelemişti.

Öyleyse, moleküler düzeydeki düzensizlik, tekil sistemlerin ışığa verdiği düzenli yanıtlarla nasıl bağdaştırılabilir? Pshenichnikov, bu soruyu cevaplamak için Groningen Üniversitesi çatısı altındaki Moleküler Dinamik ve Teorik Fizik grubundan yardım aldı. Doktora sonrası araştırmacıları Riccardo Alessandri ve Anna Bondarenko, nanotüp sisteminin çözümünü simüle etmekten sorumluydu. Alessandri, “Binlerce molekül içeren bir sistemi simüle etmek, düzensizliği verimli bir şekilde hesaplamaya çalışmak oldukça zordu” dedi. Genel olarak, simülasyon yaklaşık 4,5 milyon atom içeriyordu.

Diyapazonlar

Sonunda simülasyon Pshenichnikov’un elde ettiği deneysel sonuçlarla uyumlu daha büyük bir resim ortaya çıkarmasıyla birlikte, tamamlayıcı bir moleküler ayrıntıyı da ortaya çıkardı. Bu sonuç, Teorik Fizik Profesörü Jasper Knoester’ın tüm noktaları birleştirmesine yardımcı oldu. Verilerdeki ‘değişim daraltma’ olarak adlandırılan bir model fark etti. Bu etki, moleküler düzeydeki küçük farklılıkların ortalamasının alınmasından sorumludur. Knoester, “Bunu, bir çataldaki titreşimin, aşağı yukarı aynı frekansa ayarlanmışsa ikinci bir çatala aktarabildiği diyapazonlar ile klasik deneyle karşılaştırabilirsiniz” diye açıklıyor.

Işığa duyarlı sistemler tarafından depolanan enerji, titreşimlerle karşılaştırılabilen kuantum mekaniği dalga fonksiyonları olan uyarılmış nükleonlar şeklinde taşınır. Uyarılmış her bir nükleon 100 ila 1.000 moleküle yayılır. Pshenichnikov: “Bu moleküller düzenli değil ancak dipol-dipol bağıyla bağlanıyorlar.” Bu bağlantı, nanotüpleri oluşturan moleküllerin birlikte

titreşim yapmasına izin verir. Aralarındaki küçük farkların ortalaması alınır, bu da benzer optik özelliklere sahip ışık depolama sistemlerinin oluşmasına yol açar.

Duvar Ustası

Düzensiz bir moleküler yapıdan düzenli bir optik davranışın nasıl ortaya çıkabileceği artık açıktır. Moleküllerin arasındaki bağlantı hayati önem taşır. Pshenichnikov: “Önünde belirli bir model olmadan tuğlaları rastgele bir araya getiren eğitimsiz duvar ustası düşünün. Buna rağmen tuğlalar birbirlerine iyi bir şekilde yapıştırılmışlarsa, güçlü bir duvar elde edersiniz.” Nanotüpler için bu, ışık enerjisi depolama sistemlerinde belirli miktarda bozukluğun oldukça kabul edilebilir olduğu anlamına gelir. Pshenichnikov, “Daha keşfetmediğimiz birçok ayrıntı olduğuna inanıyorum” diyor. “Bir sonraki adım, bu özelliklerin sistemlerde nasıl ortaya çıkabileceğini araştırmak ve bunu yeni fonksiyonel malzemelerin tasarımın ve yaratım aşamasında kullanmaktır.”

Özet

Groningen Üniversitesi’ndeki bilim insanları, moleküler yapı taşlarından kendi kendine bir araya gelebilen çift duvarlı nanotüplerden oluşan bir ışık enerjisi depolama sistemi yarattı. Depolama yapan bir nanotüp, binlerce molekül içerir. Tüpler birbirine benziyor ve de benzer optik özelliklere sahip olsalar dahi, molekül seviyelerinde büyük farklılıklar vardır. Öyleyse, hala nasıl aynı şekilde hareket edebiliyorlar? Nanotüplerin içindeki atomların etkileşimini simüle edip, davranışlarını analiz ederek bilim insanları bu bilmeceyi çözmeyi başardılar. Işık enerjisi nanotüplerde titreşime neden olur ve bu titreşimler yüzlerce moleküle yayılır. Tek olarak titreşirler, çünkü birbirlerine bağlanan kuvvetlerle bağlıdırlar ve hepsi yaklaşık olarak aynı frekansa duyarlıdırlar. Diyapazon benzeşimi yapılabilir. Sonuçlar, fonksiyonel malzemelerin o kadar da düzenli yapıda olmasına gerek olmadığını göstermektedir: yapı taşları birbirlerine sıkıca bağlı olduğu sürece, birlikte çalışabilirler.

Kaynak: azooptics.com