为什么无序采光系统会产生有序结果

科学家通常更喜欢使用有序系统。但是，格罗宁根大学的物理学家和生物物理学家组成的多元化团队发现，具有无序分子结构的单个集光纳米管仍然以相同的方式传输光能。通过结合光谱学，分子动力学模拟和理论物理学，他们发现了如何在微观尺度上有效地平均化分子水平的无序。结果发表在9月28日的“美国化学会杂志”上。

双层光收集纳米管由分子构件自组装。它们的灵感来自自然界发现的光合细菌的多壁管状天线网络。纳米管吸收和传输光能，尽管还不清楚如何。格罗宁根大学超快光谱学教授Maxim Pshenichnikov解释说：“纳米管具有相似的大小，但是它们在分子水平上都不同，并且分子以无序的方式排列。”

单分子

BjörnKriete，博士 Pshenichnikov小组的一名学生使用光谱法测量了光收集系统的行为，每个光收集系统都由一个由几千个分子组成的双壁纳米管组成。“我们检查了其中约五十个系统，发现它们尽管在分子水平上表现出显着差异，却具有非常相似的光学性质。” 测量单个的光收集系统需要使用最新的单分子光谱技术。早期的研究仅研究包含数百万个此类系统的散装物料。

那么，如何在分子水平上将无序与各个系统对光的有序响应相协调呢?为了回答这个问题，Pshenichnikov得到了格罗宁根大学分子动力学小组和理论物理小组的帮助。博士后研究员Riccardo Alessandri和Anna Bondarenko负责模拟溶液中的纳米管系统。“模拟具有数千个分子的系统，试图以一种有效的方式来计算疾病，这是一个很大的挑战，” Alessandri解释说。总体而言，模拟包含约450万个原子。

混乱中出现的相似之处：人工采光复合物的无序分子结构产生了明确的光学特性信誉：Ilias Patmanidis和Misha Pchenitchnikov

音叉

最后，模拟显示了更大的画面，与Pshenichnikov获得的实验结果一致，但同时也显示了更多的分子细节。这帮助了理论物理学教授Jasper Knoester连接了所有的点。他识别出数据中的一种模式，称为“交换变窄”。“这种效应负责在分子水平上平均出细小的差异。”您可以将其与经典实验相比较，后者使用音叉如果调到大致相同的频率，则前叉可以转移到第二个前叉。” Knoester解释说。

由光敏系统收集的能量以激子形式传输，激子是量子力学的波函数，与振动相当。每个激子分布超过100到1,000个分子。普谢尼希科夫说：“这些分子不是有序的，但它们是通过偶极-偶极耦合连接的。” 这种连接使构成纳米管的分子一起振动。它们之间的微小差异被平均化，这导致具有相似光学特性的光收集系统。

瓦工

现在清楚的是，如何从无序的分子结构中出现有序的光学行为。分子之间的联系至关重要。普舍尼奇科夫说：“想想一个训练有素的瓦工，他只是以没有特殊图案的方式将砖块组装在一起。如果将它们很好地粘合在一起，您仍然会结成坚固的墙。” 对于纳米管，这意味着在这些光收集系统中一定程度的无序是完全可以接受的。普谢尼希科夫说：“我认为影响甚至更大。” “下一步是研究这些特性如何在系统中显现出来，并将其用于新功能材料的设计和创造中。”

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