Solcelle bestående af et enkelt molekyle:Individuelt proteinkompleks genererer elektrisk strøm

Fotosyntese gør det muligt for planter at omdanne lys til kemisk energi. At udnytte denne proces til at producere elektrisk energi er et forskningsmål på verdensplan. Nu er det lykkedes et team af forskere ved Technische Universitaet Muenchen og Tel Aviv University at direkte udlede og måle den fotoelektriske strøm, der genereres af enkeltmolekyler i fotosystemet I.

Et team af forskere, ledet af Joachim Reichert, Johannes Barth, og Alexander Holleitner (Technische Universitaet Muenchen), og Itai Carmeli (Tel Aviv University) udviklede en metode til måling af fotostrømme i et enkelt funktionaliseret fotosyntetisk proteinsystem. Forskerne kunne demonstrere, at et sådant system kan integreres og selektivt behandles i kunstige fotovoltaiske apparatarkitekturer, samtidig med at de bevarer deres biomolekylære funktionelle egenskaber. Proteinerne repræsenterer lysdrevne, yderst effektive enkeltmolekyle elektronpumper, der kan fungere som strømgeneratorer i nanoskala elektriske kredsløb. Det tværfaglige team offentliggør resultaterne i Naturnanoteknologi denne uge.

Videnskabsmanden undersøgte fotosystem-I reaktionscenter, som er et klorofylproteinkompleks placeret i membraner af kloroplaster fra cyanobakterier. Planter, alger og bakterier bruger fotosyntese til at omdanne solenergi til kemisk energi. De indledende faser af denne proces - hvor lys absorberes og energi og elektroner overføres - medieres af fotosyntetiske proteiner sammensat af klorofyl og carotenoidkomplekser. Indtil nu, ingen af ​​de tilgængelige metoder var følsomme nok til at måle fotostrømme genereret af et enkelt protein. Fotosystem-I udviser fremragende optoelektroniske egenskaber, der kun findes i fotosyntetiske systemer. Nanoskala-dimensionen gør fotosystemet-I yderligere til en lovende enhed til applikationer inden for molekylær optoelektronik.

Den første udfordring fysikerne måtte mestre var udviklingen af ​​en metode til elektrisk kontakt af enkeltmolekyler i stærke optiske felter. Det centrale element i den realiserede nanodeenhed er fotosyntetiske proteiner selvsamlede og kovalent bundet til en guldelektrode via cysteinmutationsgrupper. Fotostrømmen blev målt ved hjælp af en gulddækket glasspids anvendt i et scannende nærfelt optisk mikroskopi-setup. De fotosyntetiske proteiner exciteres optisk af en fotonflux styret gennem den tetraedriske spids, der samtidig giver den elektriske kontakt. Med denne teknik, fysikerne var i stand til at overvåge fotostrømmen genereret i enkeltproteinenheder.