Energietransfer in Nanoröhren-Farbstoffkomplexen

In this thesis we create nanotube-chromophore energy transfer systems and characterize them optically. The nanotube-chromophore complexes are devised through the incorporation of a chromophoric perylene derived unit into the surfactant. The functional perylene unit pi-pi stacks on the nanotube wall. This close proximity results in a Förster resonance energy transfer at a distance much smaller than the Förster radius from the dye into the tube, yielding transfer efficiencies of almost unity. The energy transfer is mediated by a dipole-dipole interaction which does not alter the nanotube’s intrinsic optoelectronic properties, but opens an additional channel for the excitation of the nanotube in the absorption band of the chromophore. This additional channel is characterized through photoluminescence measurements. Ten functional surfactants were designed, all featuring a similar chromophoric core. The hydrophobic units for water solubility and alkyl chains for nanotube individualization were varied. All surfactants differ in their individualization capabilities as well as their propensity for forming energy transfer complexes. This approach yields a guideline for the tailored design of functional surfactants. The efficiencies and excitation characteristics of the energy transfer complexes are analyzed to shed light on the morphology of the chromophore adsorption on the nanotube. All samples solubilized with a perylene-based surfactant show an altered luminescence intensity pattern across the chiralities. The mechanism behind this chirality specific luminescence intensity enhancement is investigated through resonant Raman profiles, as well as swelling of bile salt suspended nanotubes with organic solvents and chromophores. These measurements indicate that both preferential solubilization and chirality-specific enhanced debundling through the aromatic moiety are responsible for the differences between perylene-based surfactants and bile salts.Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Herstellung von Energietransfersystemen aus Nanoröhren und Farbstoffen, und deren Charakterisierung mithilfe optischer Methoden. Die Nanoröhren- Farbstoffkomplexe werden gebildet indem eine chromophore Einheit, hier ein Perylenderivat, in das Tensid, das die Nanoröhre in Lösung hält, eingebaut wird. Das Perylen setzt sich über eine Interaktion der pi-Orbitale der Nanoröhre mit den pi-Orbitalen des Farbstoffes nicht-kovalent auf die Wand der Nanoröhre. Diese räumliche Nähe ermöglicht einen Förster- Resonanzenergietransferprozess mit einem Abstand zwischen Donor und Akzeptor weit unterhalb des Förster-Radius, und dementsprechend mit einer Transfereffizienz nahe eins. Der Energietransfer beruht auf einer Dipol-Dipol Wechselwirkung, die die intrinischen optoelektronischen Eigenschaften der Nanoröhre nicht ändert, aber einen neuen Anregungskanal über die Absorptionsbande der Chromophore eröffnet. Dieser zusätzliche Anregungskanal wird durch Photolumineszenzmessungen charakterisiert. Zehn funktionale Tenside wurden entworfen, alle mit ähnlichem chromophoren Kern, jedoch mit verschiedenartigen hydrophoben Einheiten für Wasserlöslichkeit sowie unterschiedlichen Alkylketten für die Individualisierung der Röhren. Die zehn Moleküle unterscheiden sich in ihrer Eignung als Tensid und in ihrer Neigung, Energietransferkomplexe mit den Nanoröhren zu formen. Mit diesen Daten können wir einen Leitfaden für das Design funktionaler Tenside aufstellen. Die Transfereffizienzen und Anregungscharakteristiken der Energietransferkomplexe werden analysiert und geben Aufschluss über die Morphologie der Chromophorenadsorption auf der Nanoröhre. Alle Nanoröhrenproben, die mit Perylenderivattensiden solubilisiert werden, weisen eine von herkömmlichen Tensiden abweichende Lumineszenzintensitätsverteilung über die Chiralitäten auf. Der physikalische Mechanismus hinter dieser chiralitätsspezifischen Luminenszenzverstärkung wird durch resonante Ramanprofile sowie das Schwellen von mit Gallensäurentensid solubilisierten Nanoröhren mit organischen Lösungsmitteln und verschiedenen Farbstoffen ergründet. Diese Daten lassen darauf schließen, daß sowohl präferenzielle Solubiliserung durch das Perylenderivattensid als auch chiralitätsspezifische verbesserte Entbündelung durch die enthaltene aromatische Moietät zu den Unterschieden gegenüber der Lumineszenzintensitätsverteilung mit Gallensäurentensid solubilisierter Nanoröhren beitragen