Ny model kan hjælpe forskere med at designe materialer til kunstig fotosyntese

Planter og andre fotosyntetiske organismer bruger en lang række pigmenter til at absorbere forskellige bølgelængder af lys. MIT -forskere har nu udviklet en teoretisk model til at forudsige lysspektret absorberet af aggregater af disse pigmenter, baseret på deres struktur.

Den nye model kan hjælpe vejledere forskere i at designe nye typer solceller lavet af organiske materialer, der effektivt fanger lys og leder den lysinducerede excitation, ifølge forskerne.

"Forståelse af det følsomme samspil mellem den selvsamlede pigmentoverbygning og dens elektroniske, optisk, og transportegenskaber er yderst ønskelige til syntese af nye materialer og design og drift af organisk baserede apparater, "siger Aurelia Chenu, en MIT postdoc og hovedforfatteren af ​​undersøgelsen, som dukkede op i Fysisk gennemgangsbreve den 3. januar.

Fotosyntese, udført af alle planter og alger, samt nogle typer bakterier, tillader organismer at udnytte energi fra sollys til at bygge sukker og stivelse. Nøglen til denne proces er indfangning af enkeltfotoner af lys med fotosyntetiske pigmenter, og den efterfølgende overførsel af excitationen til reaktionscentrene, udgangspunktet for kemisk omdannelse. Klorofyl, som absorberer blåt og rødt lys, er det mest kendte eksempel, men der er mange flere, såsom carotenoider, som absorberer blåt og grønt lys, samt andre specialiserede sig i at fange det knappe lys, der er tilgængeligt dybt i havet.

Disse pigmenter tjener som byggesten, der kan arrangeres på forskellige måder til at skabe strukturer kendt som lyshøstkomplekser, eller antenner, som absorberer forskellige lysbølgelængder afhængigt af pigmenternes sammensætning og hvordan de samles.

"Naturen har mestret denne kunst, udvikler sig fra et meget begrænset antal byggesten en imponerende mangfoldighed af fotosyntetiske lyshøstkomplekser, som er meget alsidige og effektive, "siger Chenu, som også er stipendiat i Swiss National Science Foundation.

Disse antenner er indlejret i eller fastgjort til membraner i cellestrukturer kaldet chloroplaster. Når et pigment fanger en foton af lys, en af ​​dens elektroner bliver spændt til et højere energiniveau, og at excitation sendes til nærliggende pigmenter langs et netværk, der til sidst fører til reaktionscentret. Fra dette center, den tilgængelige ladning bevæger sig videre gennem det fotosyntetiske maskineri for til sidst at drive transformationen af ​​kuldioxid til sukker gennem en cyklus af kemiske reaktioner.

Chenu og Jianshu Cao, en MIT -professor i kemi og papirets seniorforfatter, ønskede at undersøge, hvordan organisationen af ​​forskellige pigmenter bestemmer de optiske og elektriske egenskaber for hver antenne. Dette er ikke en ligetil proces, fordi hvert pigment er omgivet af proteiner, der finjusterer bølgelængden af ​​den udsendte foton. Disse proteiner påvirker også overførslen af ​​excitation og får noget af energien til at forsvinde, når det flyder fra et pigment til det næste.

Chenu og Caos nye model anvender eksperimentelle målinger af lysspektret absorberet af forskellige pigmentmolekyler og deres omgivende proteiner. Ved at bruge disse oplysninger som input, modellen kan forudsige lysspektret, der absorberes ved enhver sammenlægning, afhængigt af de pigmenttyper, den omfatter. Modellen kan også forudsige hastigheden af ​​energioverførsel mellem hvert aggregat.

Denne teknik har en lang historie inden for fysik, og teoretikere har tidligere anvendt det på at studere uordnede faste stoffer, dipolære væsker, og andre systemer.

"Dette papir repræsenterer en ny udvidelse af denne teknik til behandling af dynamiske udsving som følge af koblingen mellem pigmenter og proteinmiljøer, "Siger Cao.

Modellen giver, for første gang, en systematisk forbindelse mellem antennens struktur og deres optiske og elektriske egenskaber. Forskere arbejder på at designe materialer, der absorberer lys, ved hjælp af kvanteprikker eller andre typer lysfølsomme materialer kunne bruge denne model til at forudsige, hvilken slags lys der vil blive absorberet, og hvordan energi vil strømme gennem materialerne, ifølge antennestrukturen, Siger Chenu.

"Det meget langsigtede mål ville være at have designprincipper til høst af kunstigt lys, "siger hun." Hvis vi forstår den naturlige proces, så kan vi udlede, hvad der er den ideelle underliggende struktur, såsom koblingen mellem pigmenter. "

Forskerne arbejder nu på at anvende modellen på en fotosyntetisk antenne kendt som phycobilisome, som er det lethøstede kompleks, der findes i de fleste cyanobakterier, såvel som til nanostrukturer såsom polymerer, tynde film, og nanorør.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.