Untersuchung von molekularen Aggregaten natürlicher und künstlicher Lichtsammelsysteme mittels Einzelmolekül-Spektroskopie

Die Nutzung der Solarenergie bietet eine umweltfreundliche Moglichkeit, den weltweit steigenden Energiebedarf zu decken. Eine Alternative zu den herkommlichen Silizium-basierten Solarzellen sind organische Solarzellen, die gunstig herzustellen, leicht und flexibel sind. Der Wirkungsgrad dieser organischen Solarzellen bleibt bislang allerdings deutlich hinter dem der Halbleitersolarzellen zuruck. Wahrenddessen finden sich in der Natur Organismen, deren hocheffiziente Photosyntheseapparate es ihnen erlauben, auch bei geringsten Lichtstromen photoautotroph zu leben. Ein besseres Verstandnis dieser naturlichen Photosyntheseapparate auf molekularer Ebene kann dazu beitragen, Solarenergie fur die Energieversorgung der Menschheit effizienter nutzbar zu machen. In der Natur wird in spezialisierten Komplexen, den sogenannten Reaktionszentren, mit der Energie zuvor absorbierter Photonen ein ladungsgetrennter Zustand herbeigefuhrt, der die weiteren Photosyntheseprozesse antreibt. Zur Steigerung der zeitlichen Auslastung dieser Reaktionszentren und zur Erweiterung des spektralen Absorptionsbereichs bilden alle photosynthesetreibenden Organismen Antennenkomplexe, die einfallende Photonen absorbieren und deren Energie uber das Antennennetzwerk zu den Reaktionszentren weiterleiten. Die Ausformung dieser Antennenkomplexe wird von verschiedenen photosynthesetreibenden Organismen auf unterschiedlichste Art und Weise gestaltet: Pflanzen und Cyanobakterien bilden sogenannte LHC-Komplexe, Purpurbakterien besitzen LH-Komplexe und Grune Schwefelbakterien verwenden sogenannte Chlorosome und FMO-Komplexe fur ihre Antennensysteme. Der raumliche Aufbau einiger weniger Komplexe konnte in der Vergangenheit mit Hilfe hochauflosender Methoden, wie zum Beispiel Rontgenstreuexperimenten, bestimmt werden, wahrend fur die meisten dieser Antennenkomplexe keine oder nur ungenaue strukturelle Informationen vorliegen. In vielen Fallen ist die direkte Strukturbestimmung nicht moglich, da die fur Rontgenstreuexperimente notige Kristallisation scheitert, oder weil die Komplexe durch die notige Probenpraparation zerstort werden. Neben der direkten Strukturbestimmung bietet die optische Spektroskopie einen indirekten Zugang zum Aufbau der Komplexe: Aus spektroskopischen Experimenten lasst sich die elektronische Struktur bestimmen, die wiederum durch die raumliche Anordnung der Bausteine festgelegt wird. Durch die Kombination spektroskopischer Informationen mit theoretischen Simulationen kann so ein raumliches Modell des untersuchten Komplexes entwickelt werden, indem versucht wird die beobachteten spektralen Eigenheiten mit dem simulierten Modell zu reproduzieren. In dieser Dissertation wurden drei unterschiedliche Komplexe bakterieller Photosyntheseapparate, sowie eine semi-synthetische Nachbildung eines Antennenkomplexes mit Hilfe von Einzelmolekul-Spektroskopie bei 1,2 K untersucht, um Informationen zur elektronischen und raumlichen Struktur zu erhalten: In P1 wurde das ungewohnliche Absorptionsverhalten der LH2-Komplexe des Bakteriums…