Onderzoekers van de Universiteit van Michigan hebben een krachtige microscoop ontwikkeld die in kaart kan brengen hoe lichtenergie migreert in fotosynthetische bacteriën op een tijdschaal van een quadriljoenste van een seconde.

De microscoop kan onderzoekers helpen efficiëntere organische fotovoltaïsche materialen te ontwikkelen, een type zonnecel dat goedkopere energie zou kunnen leveren dan zonnecellen op basis van silicium.

In fotosynthetische planten en bacteriën, licht raakt het blad of de bacteriën en een systeem van kleine licht-oogstende antennes pendelt het door eiwitten naar wat een reactiecentrum wordt genoemd. Hier, licht wordt "opgesloten" en omgezet in metabolische energie voor de organismen.

Jennifer Ogilvie, U-M hoogleraar natuurkunde en biofysica, en haar team willen de beweging van deze lichtenergie vastleggen via eiwitten in een cel, en het team heeft een stap in de richting van dat doel gezet door deze microscoop te ontwikkelen. Hun studie is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Ogilvie, afgestudeerde student Yassel Acosta en postdoctoraal fellow Vivek Tiwari werkten samen om de microscoop te ontwikkelen, die een methode gebruikt die tweedimensionale elektronische spectroscopie wordt genoemd om afbeeldingen van energiemigratie in eiwitten tijdens fotosynthese te genereren. De microscoop brengt een gebied ter grootte van een vijfde van een menselijke bloedcel in beeld en kan gebeurtenissen vastleggen die een periode van een kwart biljoenste van een seconde in beslag nemen.

Tweedimensionale spectroscopie werkt door de energieniveaus binnen een systeem op twee manieren te lezen. Eerst, het leest de golflengte van het licht dat wordt geabsorbeerd in een fotosynthetisch systeem. Vervolgens, het leest de golflengte van het licht dat in het systeem wordt gedetecteerd, waardoor energie kan worden gevolgd terwijl deze door het organisme stroomt.

Het instrument combineert deze methode met een microscoop om een ​​signaal te meten van bijna een miljoen keer kleinere volumes dan voorheen. Bij eerdere metingen werd het gemiddelde van monsters in beeld gebracht over secties die een miljoen keer groter waren. Middeling over grote secties verdoezelt de verschillende manieren waarop energie binnen hetzelfde systeem kan bewegen.

"We hebben nu beide technieken gecombineerd, zodat we echt snelle processen kunnen krijgen, evenals echt gedetailleerde informatie over hoe deze moleculen op elkaar inwerken, " zei Ogilvie. "Als ik naar het ene nanoscopische gebied van mijn monster kijk versus het andere, de spectroscopie kan er heel anders uitzien. Eerder, dat wist ik niet, omdat ik alleen de gemiddelde meting kreeg. Ik kon niet leren over de verschillen, wat belangrijk kan zijn om te begrijpen hoe het systeem werkt."

Bij de ontwikkeling van de microscoop Ogilvie en haar team bestudeerden kolonies van fotosynthetische paarse bacteriecellen. Eerder, wetenschappers hebben vooral gekeken naar gezuiverde delen van dit soort cellen. Door te kijken naar een intact celsysteem, Ogilvie en haar team konden observeren hoe de verschillende componenten van een compleet systeem met elkaar in wisselwerking stonden.

Het team bestudeerde ook bacteriën die waren gekweekt in omstandigheden met veel licht, omstandigheden met weinig licht en een combinatie van beide. Door het licht te volgen dat door de bacteriën wordt uitgezonden, de microscoop stelde hen in staat om te zien hoe de structuur van het energieniveau en de stroom van energie door het systeem veranderden, afhankelijk van de lichtomstandigheden van de bacteriën.

evenzo, deze microscoop kan wetenschappers helpen begrijpen hoe organische fotovoltaïsche materialen werken, zegt Ogilvie. In plaats van de licht-oogstende antennecomplexen die in planten en bacteriën worden gevonden, organische fotovoltaïsche materialen hebben zogenaamde "donor"-moleculen en "acceptor"-moleculen. Wanneer licht door deze materialen reist, het donormolecuul stuurt elektronen naar acceptormoleculen, elektriciteit opwekken.

"We kunnen ontdekken dat er regio's zijn waar de excitatie geen lading produceert die kan worden geoogst, en dan vinden we misschien regio's waar het heel goed werkt, " zei Ogilvie. "Als we kijken naar de interacties tussen deze componenten, we kunnen misschien de morfologie van het materiaal in verband brengen met wat goed werkt en wat niet."

In organismen, deze zones ontstaan ​​omdat een gebied van het organisme mogelijk niet zoveel licht ontvangt als een ander gebied, en zit daarom vol met antennes voor het oogsten van licht en weinig reactiecentra. Other areas might be flooded with light, and bacteria may have fewer antennae—but more reaction centers. In photovoltaic material, the distribution of donor and receptor molecules may change depending on the material's morphology. This could affect the material's efficiency in converting light into electricity.

"All of these materials have to have different components that do different things—components that will absorb the light, components that will take that the energy from the light and convert it to something that can be used, like electricity, " Ogilvie said. "It's a holy grail to be able to map in space and time the exact flow of energy through these systems."