Bio møder nano:Kvanteprikker som lysantenner til kunstige fotosyntetiske systemer

(PhysOrg.com) -- Vores forsøg på at bruge solenergi er fortsat meget ineffektive; de sande mestre i dette håndværk er fotosyntetiske planter, alger, og bakterier. Videnskaben forsøger at efterligne disse organismer.

Igor Nabiev fra NanoGUNE Research Center i San Sebastian (Spanien), Alexander O. Govorov fra Ohio University (USA), John Donegan fra CRANN, Trinity College Dublin (Irland), og et hold spanske, irsk, Fransk, og russiske videnskabsmænd har nu udviklet en ny tilgang til at øge lyseffektiviteten. Som de beretter i journalen Angewandte Chemie, de udstyrede med succes det fotosyntesecenter fra en lilla bakterie med en "lys-høstende antenne" bestående af en kvanteprik - en uorganisk nanokrystal.

I organismer, det første trin i fotosyntesen er absorptionen af ​​lys af en antenne, et kompleks af proteiner og pigmenter, der bringes i en elektronisk exciteret tilstand af lysenergi. Energipakken kan derefter sendes videre til specielle klorofyl-cofaktorer i fotosynteseapparatets reaktionscenter. Der bliver energien endelig brugt til at producere cellulære energilagre såsom ATP. Videregivelsen af ​​energipakkerne sker gennem en speciel strålingsfri proces kaldet Förster resonance energy transfer (FRET), hvor de elektroniske tilstande for afsender og modtager af energipakkerne skal bringes i resonans.

Kunstige fotosyntetiske systemer kræver også en antenne til effektiv høst af lys. Antennen skal også kunne føre energipakkerne videre gennem FRET. Tidligere syntetiske antenner var organiske farvestofmolekyler, som har den ulempe, at de fanger et for lille bølgelængdeområde fra sollys. Desuden, de er ikke stabile under langtidsbestråling. Den nye idé i dette tilfælde var at erstatte de organiske molekyler med fluorescerende uorganiske kvanteprikker som antenner. Kvanteprikker er nanoskopiske krystaller, der er så små, at de i mange henseender opfører sig som molekyler snarere end som makroskopiske faste objekter. De elektroniske og optiske egenskaber af kvanteprikker, inklusive de bølgelængder, som de absorberer, kan stort set laves på bestilling, fordi disse er afhængige af størrelsen, form, og prikkens sammensætning.

Forskerne valgte at bruge kvanteprikker lavet af cadmiumtellurid og cadmiumselenid, som fluorescerer under bestråling, mens de forbliver stabile på lang sigt. Størrelsen og overfladesammensætningen blev valgt, så de kunne absorbere en særlig bred vifte af sollys.

Forskerne var i stand til at koble kvanteprikantennen til et reaktionscenter fra en lilla bakteries fotosyntetiske system. Under bestråling, kvanteprikkerne fluorescerer så ikke længere; i stedet sender de den absorberede energi over til reaktionscentret gennem FRET. Denne nye tilgang kan bane vejen mod nye syntetiske fotosyntetiske systemer.