Nieuwe theorie over de regulering van energieoverdracht tussen moleculen

Het effect van een spiegel op de energieoverdracht tussen twee moleculen
De onderzoekers toonden aan dat dat effect heel anders is dan het al langer bekende effect van een spiegel op de spontane emissie van licht door een enkel molecuul.

Het werk van de onderzoekers is relevant voor toepassingen binnen verlichting, nanodetectie, fotosynthese, fotovoltaïsche systemen en quantuminformatieverwerking. De resultaten zijn gisteren gepubliceerd in het vooraanstaande Brits-Duitse vakblad New Journal of Physics.

Er wordt veel gediscussieerd over de vraag of de snelheid waarmee energie overgedragen wordt van het ene geëxciteerde molecuul naar een tweede molecuul dat daar dichtbij ligt, beïnvloed kan worden door de nanofotonische omgeving van de moleculen aan te passen. De spontane emissie van één enkel molecuul (of een andere lichtbron) hangt sterk samen met zijn nanofotonische omgeving. Het beheersen van de omgeving is mogelijk met behulp van zogeheten metamaterialen, fotonische kristallen, of zelfs met een vlakke spiegel. Uit eerdere studies naar de energieoverdracht tussen twee moleculen kwamen soms sterke effecten naar voren, maar soms ook matige of helemaal geen effecten, van de nano-omgeving, wat verwarring gaf onder theoretici en experimentele onderzoekers.

Romantisch diner
Eerste auteur dr. Martijn Wubs (Technische Universiteit Denemarken) gebruikt een analogie om het probleem uit te leggen: “Wanneer je iemand leuk vindt dan kan een etentje in een romantisch restaurant helpen om echt verliefd te worden. De romantische omgeving zou ook wel eens de belangrijkste reden kunnen zijn om verliefd te worden, maar zoals bekend zijn zulke gevoelszaken moeilijk te interpreteren en te begrijpen. Voor de vergelijkbare situatie van energieoverdracht tussen twee ‘verliefde’ moleculen zijn we er nu in geslaagd de invloed van hun omgeving te begrijpen.”

Nieuw model om de waarnemingen te verklaren
Vier jaar geleden was het Deens-Nederlandse team betrokken bij een experimenteel onderzoek dat aantoonde dat de energieoverdrachtssnelheid bij een moleculenpaar onafhankelijk is van de zogeheten lokale optische toestandsdichtheid van hun nanofotonische omgeving (in tegenstelling tot de emissie van een enkel molecuul die wel afhangt van deze toestandsdichtheid). Het vormde een uitdaging voor theoretici om deze waarnemingen te verklaren. Ze besloten om het meest eenvoudige modelsysteem waarin alle essentiële onderdelen van de experimenten aanwezig waren te onderzoeken. “Met het modelsysteem konden we de exacte wiskundige formule afleiden en daaruit onderbouwde conclusies trekken”, vertelt FOM-groepsleider prof.dr. Willem Vos (Universiteit Twente). “We hebben een wiskundige formule gevonden die aantoont dat de energieoverdrachtssnelheid juist onafhankelijk is van de lokale toestandsdicht van de nanofotonische omgeving. Verrassend genoeg is zo’n simpele formule nog niet eerder afgeleid.”

Extra controle
Om te controleren of ze hun conclusie niet te snel hadden getrokken, hebben de onderzoekers ook een theorie afgeleid waarin ze het uitgangspunt hadden dat de overdrachtssnelheid afhankelijk is van de nanofotonische omgeving. Deze theorie bevestigde hun conclusies. Vos legt uit: “Energieoverdracht wordt niet beïnvloed door licht in de gewone zin – een elektromagnetische golf met de vorm van een sinusgolf. De moleculen bevinden zich veel dichter bij elkaar dan de golflengte van licht, vandaar dat licht dat door het ene molecuul wordt uitgezonden nog geen sinusgolf heeft gevormd voordat dit bij het tweede molecuul aankomt. Hierdoor treedt er geen nano-lichteffect op de energieoverdrachtssnelheid op. Maar de moleculen ‘voelen elkaar’ wel door de Coulombkracht die tussen moleculaire ladingen optreedt.”

Vlakke spiegel
Het lijkt er misschien op dat er geen manier is om de energieoverdrachtssnelheid tussen twee moleculen te reguleren, maar de Coulombkracht biedt een uitweg. Vos: “We hebben ontdekt dat de energieoverdrachtssnelheid sterk wordt beïnvloed door twee moleculen dicht bij een spiegel te plaatsen, op nano-afstanden die vergelijkbaar zijn met de afstand tussen de moleculen.* Het lijkt erop dat het moleculaire liefdespaar sneller verliefd kan worden wanneer ze zo dicht bij een spiegel zijn dat ze zichzelf eerst zien voordat ze hun partner zien. Dankzij het nano-Coulombeffect, worden ze niet afgeleid door de rest van de wereld en kunnen ze zich beter richten op hun partner.”
Volgens de onderzoekers kan hun nieuwe inzicht in het reguleren van energieoverdracht worden gebruikt voor het precies meten van de afstand tussen moleculen die verder uit elkaar liggen, voor het manipuleren van quantuminformatie tussen twee nabijgelegen quantumdots, voor verbeterde biosensoren en voor fotovoltaïsche toepassingen.
*) In tegenstelling hiermee oefent een spiegel bij de spontane emissie door een enkel molecuul op veel grotere afstanden, in de orde van grootte van de golflengte van licht, invloed uit.