Licht hat viele Talente und spielt eine wichtige Rolle für viele Zukunftstechnologien: Es kann Informationen übertragen, Energie transportieren und in Form einzelner Photonen die Grundlage für Quantenanwendungen bilden. Licht noch präziser zu steuern, um Bausteine für optische Mikrochips, ultraschnelle Kommunikation und neue Konzepte der Energie- und Informationsverarbeitung zu entwickeln, steht auch im Fokus des Exzellenzclusters e-conversion – und des Teams um LMU-Wissenschaftler Prof. Philip Tinnefeld.

Tim Schröder (li.) und Philip Tinnefeld im Labor. (Foto: Tinnefeld Lab)

In einer aktuellen Publikation im Fachmagazin Small Structures zeigt die Forschungsgruppe, wie sich DNA als programmierbarer Baukasten nutzen lässt, um photonische Strukturen auf Molekülebene selbstorganisiert (nach dem Bottom-up-Prinzip) aufzubauen und für den Energietransfer zu nutzen. Bislang werden photonische Strukturen – sie umfassen typischerweise Größenordnungen von einigen hundert Nanometern und deutlich darunter – meist mit lithografischen Verfahren (Top-down-Prinzip) hergestellt. Diese sind zwar präzise, stoßen jedoch unterhalb von etwa 100 Nanometern an ihre Grenzen.  

Wie sich Energie im Nano-Maßstab verhält

Auf molekularer Ebene wird Licht allerdings nicht direkt weitergeleitet, sondern seine Energie wird aufgenommen und in sogenannte Exzitonen umgewandelt. Das sind Anregungen, die Energie wie kleine Pakete durch die Struktur transportieren. Ihre Bewegung steht im Zentrum der Studie und der Frage, was geschieht, wenn mehrere Anregungen gleichzeitig vorhanden sind. Treffen zwei Exzitonen aufeinander, kann es zur sogenannten Annihilation (Auslöschung) kommen, wobei die Energie eines Exzitons als Wärme verloren geht und am Ende nur ein einzelnes Exziton übrigbleibt. „Solche Annihilationsprozesse sind wichtige Verlustkanäle in photonischen Strukturen, organischen Halbleitern und Solarzellen“, erklärt Philip Tinnefeld. Auch in natürlichen Photosynthese-Systemen spielen verwandte Prozesse eine Rolle, etwa wenn Pflanzen sich bei zu starkem Lichteinfall vor überschüssiger Energie schützen. 

Präzise Nanostrukturen dank DNA-Origami

„Wir haben ein Modellsystem geschaffen, in dem wir solche Zusammenstöße elektronischer Anregungen gezielt herbeiführen und auf Einzelmolekülebene untersuchen können“, sagt Tinnefeld. „Die Fortschritte der letzten Jahre in der DNA-Nanotechnologie ermöglichen es uns heute, robuste und präzise definierte Strukturen herzustellen. Damit können wir die Bedingungen für Annihilation gezielt kontrollieren und lernen, die entstehenden Signaturen quantitativ zu interpretieren.“ Dafür nutzen die LMU-Forschenden die DNA-Origami-Technologie. Die DNA dient ihnen als nanoskaliges Gerüst, auf dem organische Farbstoffmoleküle sehr präzise – ähnlich wie auf einem Steckbrett – angeordnet sind. Auf diese Weise formt das Team eindimensionale Energieleiter aus bis zu neun Farbstoffen. 

Der Clou an diesem Energieleiter: Spezielle Startmoleküle an beiden Enden absorbieren das Anregungslicht und speisen jeweils ein Exziton in den Leiter ein. Diese Energiepakete bewegen sich schrittweise entlang der Farbstoffmoleküle aufeinander zu. Treffen zwei Exzitonen in unmittelbarer Nähe aufeinander, kann es zur Annihilation kommen. In Anlehnung an Teilchenbeschleuniger bezeichnen die Forschenden ihre Strukturen daher als „Exciton Collider“ im Nanomaßstab. 

Dem Photonen-Fingerabdruck auf der Spur

Was die Auswertung erschwert: Die Forschenden können weder die Exzitonen noch ihre Wechselwirkungen miteinander direkt beobachten. Um ihre Dynamik trotzdem sichtbar zu machen, analysieren sie das ausgesendete Licht und nutzen eine besondere Quanteneigenschaft der Exzitonen: Aus einem einzelnen Exziton kann höchstens ein Photon entstehen. Befinden sich zwei Exzitonen im System, wären grundsätzlich auch zwei Photonen möglich. Kommt es jedoch zur Annihilation, bleibt nur ein Exziton übrig, welches maximal nur ein Photon aussenden kann. Statistisch fehlt bei 10.000 gemessenen Photonen lediglich ein einziges Photon aufgrund eines Annihilationsprozesses und genau dieses „zu wenig“ an Licht dient als messbarer Hinweis auf die Wechselwirkung der Exzitonen. „Wir schauen nach diesem Fingerabdruck in der Photonenstatistik, um Annihilationsprozesse aufzudecken“, erklärt Dr. Tim Schröder, Erstautor und Akademischer Rat im Team von Tinnefeld. „Die Herausforderung besteht darin, diesen Fingerabdruck trotz komplexer Eigenschaften der einzelnen Farbstoffe eindeutig zuzuordnen. Solche Modellsysteme mit wohldefinierten Strukturen sind entscheidend, um Messergebnisse und Simulationen im nächsten Schritt auf komplexere Systeme übertragen zu können.“ 

Die Arbeit der LMU-Forschenden liefert ein neues Werkzeug, um Energieverluste in photonischen und optoelektronischen Nanostrukturen besser zu verstehen. Das ist nicht nur grundlegend für die Entwicklung künftiger lichtbasierter Technologien, sondern auch relevant für die gezielte Kontrolle von Lichtemission auf kleinsten Skalen – etwa in photonischen Bauelementen, Quantentechnologien oder bei der Untersuchung energieumwandelnder Systeme wie Solarzellen. 

Publikation:  

DNA-Based Exciton Collider to Monitor Exciton Diffusion and Annihilation; Tim Schröder, Philipp Wutz, John M. Lupton, Philip Tinnefeld, Jan Vogelsang
https://doi.org/10.1002/sstr.202500889 

Kontakt: 

Prof. Philip Tinnefeld 
Fakultät für Chemie und Pharmazie
Ludwig-Maximilians-Universität München
E-Mail: philip.tinnefeld@cup.lmu.de
Website: Group of Philip Tinnefeld at LMU Munich