Exzitonen in biomimetischem Ringsystem beobachtet

Ein Forschungsteam um Günter Rupprechter vom Institut für Materialchemie der TU Wien hat langlebige Exzitonen an einem zweidimensionalen biomimetischen Kristall beobachtet.

Bild: Università degli Studi di Trieste
Die Forscher untersuchten die zweidimensionalen Eisen-Phthalocyanin-Kristalle mit Methoden der Rastertunnelmikroskopie und der Laserspektroskopie.

Ein Exziton ist ein gebundenes Elektron-Loch-Paar in einem elektrisch nicht-leitenden Material, das physikalisch als Quasiteilchen behandelt werden kann. Derartige Phänomene spielen nicht nur in Photokatalyse und Photovoltaik eine Rolle, ihr Studium kann auch zu einem besseren Verständnis des Verhaltens von biologischen Molekülen wie Chlorophyll oder Hämoglobin beitragen.

Anstelle dieser Moleküle, die aus kompliziert aufgebauten Porphyrin-Ringsystemen bestehen, untersuchte ein Team von Forschern der TU Wien und der Università degli Studi di Trieste einfacher strukturierte Phthalocyanide. Auch ein solches Ringsystem kann, wie Hämoglobin, Eisenatome binden. Die Forscher erzeugten eine regelmäßige Anordnung derartiger Moleküle (einen zweidimensionalen Kristall) auf einer Graphen-Schicht und verwendeten die Anlagerung von Kohlenmonoxid an die gebundenen Eisenatome als Vehikel zur Untersuchung des elektronischen Zustands des Systems.

 

Neue Methode zur Untersuchung von Biomolekülen

Den Wissenschaftlern gelang es nun, in dem biomimetischen System mithilfe von sichtbarem Licht Exzitonen auszulösen, die mit einem Spin-Übergang des zweidimensionalen Kristalls assoziiert sind, und sie über Veränderung einer Schwingungsbande von Kohlenmonoxid spektroskopisch zu detektieren. Das Besondere daran ist, dass die Exzitonen bei normalen Umgebungsbedingungen beobachtet wurden, während derartige Phänomene für gewöhnlich nur bei sehr tiefen Temperaturen und im Ultrahochvakuum untersucht werden können.

Rupprechter geht davon aus, dass auch in den komplizierteren biologisch relevanten Molekülen sehr kleine Veränderungen, etwa in der Proteinkette des Hämoglobin, Einfluss auf den Zustand des gebundenen Metallatoms haben können. Mit den von den Forschern angewandten Messmethoden können derartige Zusammenhänge nun auch bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck untersucht werden.