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Auf den ersten Blick scheinen die Natur und elektronische Geräte nicht viel gemeinsam zu haben. Wie könnte die freie Natur überhaupt mit Smartphones und LED-Fernsehern zusammenhängen?
Laut einem Forschungsteam der Universität Cambridge gibt es jedoch viele Gemeinsamkeiten.
„Wenn das Sonnenlicht in der Natur auf ein Blatt trifft, kommt es zur Photosynthese, die im Prinzip eine Abfolge elektronischer Prozesse ist, die Energie umwandeln und speichern“, sagt Florian Auras, einer der Forschenden. „Da bei modernen Geräten ein ähnlicher Prozess zugrunde liegt, können wir viel von der Natur lernen.“
Genau daran arbeitet das Team der Universität Cambridge im Rahmen des EU-finanzierten Projekts EXMOLS, das über den Europäischen Forschungsrat unterstützt wird. „Wir wissen, dass die Umwandlung von Licht in Energie in der Natur äußerst komplex ist und aufwendige Strukturen umfasst, die aus Dutzenden, wenn nicht sogar Hunderten Molekülen bestehen“, erklärt Auras. „Leider können wir derart umfangreiche elektronisch aktive Strukturen noch nicht im Labor nachbilden.“
Dank neuer synthetischer Methoden und Werkzeuge, die aus dem EXMOLS-Projekt hervorgegangen sind, könnte sich das vielleicht schon bald ändern. „Um energieeffizientere elektronische Geräte zu entwickeln, müssen wir wissen, warum die Photosynthese so effizient ist“, so Auras weiter. „Dabei werden uns die neuen Methoden und Werkzeuge helfen.“
Inspiriert von der Natur
Anhand der natürlichen Photosynthese hat das Projekt eine Methode entwickelt, durch die elektronische Strukturen mit molekularer Präzision erstellt werden können. Beispielsweise führt das Photosystem einer Pflanze aktive Moleküle mithilfe von Proteingerüsten zusammen und verwandelt sie in eine funktionale elektronische Struktur. Um diesen Prozess nachzuahmen, erarbeiteten die Forschenden eine Methode, bei der photoaktive molekulare Halbleiter mithilfe einer modifizierten synthetischen DNA zusammengesetzt werden.
„Jeder DNA-Strang bildet mit seiner Komplementärsequenz eine einzigartige und genau festgelegte Doppelhelix-Struktur“, sagt Jeffrey Gorman, der DNA-Spezialist des Projekts. „Unsere Methode nutzt dieselbe vorhersehbare Anordnung, um größere Strukturen zu erzeugen und Halbleiter in genau festgelegten Stapeln einzubauen. Dadurch steigt die Gesamteffizienz.“
Da sie die Anordnung der Halbleiter genau kontrollieren konnten, widmeten sich die Forschenden der Entwicklung elektronischer Schaltkreise. Dabei kamen verschiedene Moleküle zum Einsatz, von denen einige normalerweise nicht zusammenpassen würden. Damit konnten sie neue Nanostrukturen mit vorher festgelegten elektronischen Eigenschaften erstellen.
Das Projekt brachte noch eine weitere wichtige Erfindung hervor: eine ultraschnelle Laserspektroskopie, mit der man die unglaublich schnellen elektronischen Prozesse auf der winzigen molekularen Ebene beobachten kann.
Laut Auras können Forscherinnen und Forscher dank der neuen Laserspektroskopie mit extrem kurzen Laserpulsen Proben photoanregen und die elektronischen Zustände anschließend zu verschiedenen Zeitpunkten aufnehmen. „Dadurch können wir die Entwicklung der angeregten Zustände mit einer sehr hohen Zeitauflösung verfolgen“, so Auras weiter.
Effizientere elektronische Geräte
Was aber hat das alles mit Fernsehern zu tun?
„Mit den Erkenntnissen, die wir zur elektronischen Kopplung zwischen Halbleitermolekülen gewonnen haben, können wir neue, effiziente Materialien für die LEDs entwickeln, die in vielen alltäglichen Geräten zu finden sind“, erklärt Auras. „Bei Fernsehern könnte so zum Beispiel ein helles, tiefblaues Pixel erzeugt werden, das eine niedrigere Spannung benötigt und einen geringeren Stromverbrauch hat.“
Auras fügt außerdem hinzu, dass die Projektarbeit zu effizienteren Solarmodulen führen könnte. „Würde man die Halbleiterstrukturen von EXMOLS einbinden, könnten Solarmodule Sonnenlicht in ein solarfreundlicheres Spektrum umwandeln.“
„Ob Smartphones nun energieeffizienter werden oder erneuerbare Sonnenenergie mehr Anklang findet – die Forschung von EXMOLS leistet einen entscheidenden Beitrag zu der nachhaltigen Zukunft, die der Europäische Grüne Deal vorsieht.
„Wenn wir uns an natürlichen Prozessen wie der Photosynthese orientieren, können wir als Gesellschaft energieeffizienter werden“, so Auras abschließend. „Und wenn wir energieeffizienter werden, können wir die Natur besser schützen, die uns überhaupt erst die Augen geöffnet hat – das nenne ich wahre Nachhaltigkeit.“