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Forschenden gelingt Sensation bei Energieübertragung

 
Empa-Physiker Jakob Heier mit Proben seines Antennen-Farbstoffs. Bild: Empa

Villigen AG - Fluoreszierende Farbstoffe können Energie viel schneller übertragen als jeder Halbleiter. Diese gemeinsame Entdeckung von Empa, des Paul Scherrer Instituts und anderen Schweizer Forschungsinstituten wird sich dereinst für organische Solarpaneele, in Sensoren und Quantencomputern oder in der Mikroskopie nutzen lassen.

Werden Farbmoleküle perfekt aneinandergereiht, potenziert dies ihre lichtverstärkende Wirkung um das Zehnfache. Diese bahnbrechende Entdeckung ist einem Team der Abteilung Funktionspolymere der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) in Dübendorf gemeinsam mit Forschenden der Eidgenössischen Technischen Hochschulen Zürich und Lausanne, dem Paul Scherrer Institut und der IBM Research Zürich gelungen.

Dabei werden bis zu 60 Prozent des eingestrahlten Lichts auch wieder als Licht abgestrahlt. Das bedeutet, dass auch bis zu 60 Prozent der Energie verlustfrei weitergeleitet werden können – „im Vergleich zu den bisher möglichen 5 Prozent gleicht das einer Sensation“, so die Empa in einer Mitteilung.

Die in der Fachwelt J-Aggregate genannten, besonders gleichförmig angeordneten Farbmoleküle und ihr besonderes elektronisches Innenleben sind schon seit 85 Jahren bekannt. In diesen J-Aggregaten liegen die Farbstoffmoleküle gut sortiert eng aneinander, ähnlich Streichhölzern in einer Schachtel. Im Unterschied zu Halbleitern schwingen die Elektronen in J-Aggregaten nur innerhalb des Farbstoffmoleküls hin und her und verlassen es nie. Statt ganzer Elektronen werden also nur Schwingungen übertragen, extrem schnell und über viele hundert Moleküle hinweg. Doch lag die Energieausbeute bisher bei besagten 5 Prozent.

Der nun gelungene Quantensprung in dieser Forschung liegt darin begründet, dass die Schweizer Forschenden die Emulsion gefunden haben, in der sich diese Moleküle zu perfekten Farbstoffinseln formen. Nur in einer bikontinuierlichen Emulsion vereinigen sich die Farbtröpfchen nämlich schlierenförmig zu fehlerfreien J-Aggregaten. „Was wir hier sehen, ist eine Energieübertragung, die wesentlich schneller abläuft als in jedem Halbleiter“, so der Empa-Physiker Jakob Heier.

So sei es etwa möglich, schwaches Infrarotlicht mit Hilfe dieser Farbstoffe einzufangen und es mit Hilfe von Quantenpunkten in digitale Signale zu verwandeln. So könnten die Sensorik oder Solarzellen auch schwaches Licht in Elektrizität verwandeln. Auch für die optische Datenübertragung und in Quantencomputern sei diese Anwendung denkbar. Und schliesslich würden mittels Infrarotlicht auch hochauflösende Mikroskopaufnahmen in lebendem Gewebe besser möglich. mm

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