Een team van wetenschappers van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente, het FOM-instituut AMOLF in Amsterdam en de Technische Universiteit van Denemarken in Lyngby hebben een langdurig wetenschappelijke discussie beslecht. De discussie draaide om de vraag of de directe omgeving de energieoverdracht tussen twee moleculen nou wel of niet beïnvloedt. Uit het onderzoek komt naar voren dat de directe omgeving de efficiency van de energieoverdracht wel degelijk beïnvloedt. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het vooraanstaande wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters.
De eerste auteur van het artikel, Christian Blum, gebruikt een analogie om het probleem uit te leggen: “Als je iemand leuk vindt, is het een goed idee om diegene uit te nodigen voor een romantisch diner. De romantische omgeving kan helpen om verliefd op elkaar te worden. Je kunt je natuurlijk afvragen in hoeverre de romantische sfeer bepaalt of je verliefd wordt. Misschien maakt de omgeving het alleen makkelijker je gevoelens te uiten. Het is erg moeilijk om deze verschillende effecten te onderscheiden. Het is ons nu gelukt om dit onderscheid te maken voor een vergelijkbare situatie. Wij zijn er in geslaagd de energieoverdracht tussen twee moleculen te manipuleren door de omgeving te veranderen.”
De grote vraag was of het mogelijk is om de snelheid waarmee de paren van moleculen de energie aan elkaar overdragen kan worden beïnvloed door de directe nanofotonische omgeving te veranderen. Het is bekend dat de spontane emissie van lichtbronnen, zoals moleculen, afhangt van hun nanofotonische omgeving. Deze kan gemanipuleerd worden met behulp van metamaterialen zoals fotonische kristallen of door spiegels. Een aantal recente studies laat een grote invloed van de omgeving op de energieoverdracht zien, maar er zijn ook studies die weinig of zelfs helemaal geen omgevingseffect vinden.
Deze studies hadden echter een aantal problemen. De nanofotonische omgeving was niet nauwkeurig genoeg gedefinieerd, de afstand tussen de donor- en acceptor-moleculen kon niet gecontroleerd worden, of de paren zaten niet ver genoeg uit elkaar. Of een combinatie van deze drie factoren. Blum legt dit uit: “Een vergelijkbare situatie ontstaat wanneer je uit eten gaat met je geliefde, maar geen idee hebt in wat voor soort restaurant je terecht komt. Je kunt aan dezelfde tafel komen te zitten of aan een grote tafel met honderden andere koppels.”
Terug naar de moleculen. De onderzoekers hebben de problemen op een elegante manier weten op te lossen door de energiedonor- en acceptor-moleculen aan een tegenovergestelde kant van een streng DNA met een goed gedefinieerde lengte vast te maken en er tevens voor te zorgen dat er geen interactie tussen de paren was. Om de benodigde nauwkeurige en kwantitatieve controle over de nanofotonische omgeving te krijgen, hebben de onderzoekers de paren met nanometer precisie vlakbij een zilveren spiegel gelegd; de afstanden waren kleiner dan de golflengte van het licht.
Het resultaat van dit experiment is verrassend: de snelheid van energieoverdracht hangt niet van de nanofotonische omgeving af. Dit betekent tegelijkertijd dat de efficiëntie waarmee de energie wordt overgedragen wel van de omgeving afhangt. De onderzoekers zijn in staat om de efficiëntie kwantitatief en voorspelbaar te verhogen of te verlagen. Door alleen de nanofotonische omgeving te veranderen en niets aan het systeem waarin de energieoverdracht plaatsvindt, kunnen efficiënties tussen 0 en 100% bereikt worden.
Blum licht het verder toe: “Door ons onderzoek kunnen we helaas geen conclusies trekken over de situatie met romantische koppels. Maar binnen de analogie zou het er op neer komen dat geliefden net zo verliefd op elkaar worden, of ze nou in een romantische omgeving zijn of niet. In een romantische omgeving is het alleen beter te zien dat ze verliefd zijn.”
Energieoverdracht vormt de basis van fotosynthese in planten en speelt een rol in hedendaags onderzoek en geavanceerde high tech toepassingen. De onderzoekers denken dat deze nieuwe manier om de energieoverdracht te controleren gebruikt kan worden voor bijvoorbeeld het meten van moleculaire afstanden of in zonnecellen.
Het team: Het onderzoek is uitgevoerd door dr. Christian Blum, Niels Zijlstra MSc en prof. Vinod Subramaniam van de vakgroep Nanobiophysics in samenwerking met prof. Allard Mosk en prof. Willem Vos van de vakgroep Complex Photonic Systems (COPS). Beide leerstoelen zijn verbonden aan het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente in Nederland. De leerstoel Nanobiophysics is ook verbonden aan het MIRA Instituut voor Biomedische Technologie en Technische Geneeskunde van de Universiteit Twente. Ook hebben prof. Ad Lagendijk van de Photon Scattering groep, FOM Instituut AMOLF in Amsterdam en associate prof. Martijn Wubs, Department of Photonics Engineering, Technische Universiteit van Denemarken (DTU), Lyngby, Denemarken bijgedragen aan het onderzoek. Het onderzoek is gesubsidieerd door FOM, NWO, STW en de European Research Council.
Noot voor de pers:
Een digitale versie van het artikel ‘Nanophotonic control of the Förster resonance energy transfer efficiency’ is te vinden op: http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.109.203601. Voor meer informatie kunt u contact opnemen met onderzoeker dr. Christian Blum (+31-(0)53-489 3067) of wetenschapsvoorlichter Joost Bruysters (+31-(0)53-489 2773 / +31- (0)6 1048 8228).
