Planten en andere fotosynthetische organismen gebruiken een grote verscheidenheid aan pigmenten om verschillende golflengten van licht te absorberen. MIT-onderzoekers hebben nu een theoretisch model ontwikkeld om het spectrum van licht te voorspellen dat wordt geabsorbeerd door aggregaten van deze pigmenten, op basis van hun structuur.

Het nieuwe model kan wetenschappers helpen bij het ontwerpen van nieuwe soorten zonnecellen gemaakt van organische materialen die licht efficiënt opvangen en de door licht geïnduceerde excitatie leiden, volgens de onderzoekers.

"Het gevoelige samenspel begrijpen tussen de zelf-geassembleerde pigmentbovenbouw en zijn elektronische, optisch, en transporteigenschappen is zeer wenselijk voor de synthese van nieuwe materialen en het ontwerp en de werking van organische apparaten, " zegt Aurelia Chenu, een MIT-postdoc en de hoofdauteur van de studie, die verscheen in Fysieke beoordelingsbrieven op 3 januari.

Fotosynthese, uitgevoerd door alle planten en algen, evenals sommige soorten bacteriën, stelt organismen in staat om energie uit zonlicht te benutten om suikers en zetmeel op te bouwen. De sleutel tot dit proces is de opname van enkele fotonen van licht door fotosynthetische pigmenten, en de daaropvolgende overdracht van de excitatie naar de reactiecentra, het startpunt van chemische conversie. chlorofyl, die blauw en rood licht absorbeert, is het bekendste voorbeeld, maar er zijn er nog veel meer, zoals carotenoïden, die blauw en groen licht absorberen, evenals anderen die gespecialiseerd zijn in het vangen van het schaarse licht dat diep in de oceaan beschikbaar is.

Deze pigmenten dienen als bouwstenen die op verschillende manieren kunnen worden gerangschikt om structuren te creëren die bekend staan ​​​​als lichtoogstcomplexen, of antennes, die verschillende golflengten van licht absorberen, afhankelijk van de samenstelling van de pigmenten en hoe ze zijn samengesteld.

"De natuur heeft deze kunst onder de knie, evoluerend van een zeer beperkt aantal bouwstenen een indrukwekkende diversiteit aan fotosynthetische lichtoogstcomplexen, die zeer veelzijdig en efficiënt zijn, " zegt Chenu, die ook een fellow is van de Swiss National Science Foundation.

Deze antennes zijn ingebed in of bevestigd aan membranen in celstructuren die chloroplasten worden genoemd. Wanneer een pigment een foton van licht opvangt, een van zijn elektronen wordt geëxciteerd naar een hoger energieniveau, en die excitatie wordt doorgegeven aan nabijgelegen pigmenten langs een netwerk dat uiteindelijk naar het reactiecentrum leidt. Vanuit dat centrum, de beschikbare lading reist verder door de fotosynthetische machinerie om uiteindelijk de transformatie van koolstofdioxide in suiker door een cyclus van chemische reacties te stimuleren.

Chenu en Jianshu Cao, een MIT-professor in de chemie en senior auteur van de paper, wilde onderzoeken hoe de organisatie van verschillende pigmenten de optische en elektrische eigenschappen van elke antenne bepaalt. Dit is geen eenvoudig proces omdat elk pigment is omgeven door eiwitten die de golflengte van het uitgezonden foton afstemmen. Deze eiwitten beïnvloeden ook de overdracht van excitatie en zorgen ervoor dat een deel van de energie verdwijnt als het van het ene pigment naar het andere stroomt.

Het nieuwe model van Chenu en Cao maakt gebruik van experimentele metingen van het spectrum van licht dat wordt geabsorbeerd door verschillende pigmentmoleculen en hun omringende eiwitten. Met deze informatie als invoer, het model kan het lichtspectrum voorspellen dat door elke aggregatie wordt geabsorbeerd, afhankelijk van de soorten pigmenten die het bevat. Het model kan ook de snelheid van energieoverdracht tussen elk aggregaat voorspellen.

Deze techniek heeft een lange geschiedenis in de natuurkunde, en theoretici hebben het eerder toegepast op het bestuderen van ongeordende vaste stoffen, dipolaire vloeistoffen, en andere systemen.

"Dit artikel vertegenwoordigt een nieuwe uitbreiding van deze techniek om dynamische fluctuaties te behandelen die voortvloeien uit de koppeling tussen pigmenten en eiwitomgevingen, ' zegt Cao.

Het model biedt, Voor de eerste keer, een systematisch verband tussen de structuur van antennes en hun optische en elektrische eigenschappen. Wetenschappers die werken aan het ontwerpen van materialen die licht absorberen, met behulp van quantum dots of andere soorten lichtgevoelige materialen, zou dit model kunnen gebruiken om te voorspellen welke soorten licht zullen worden geabsorbeerd en hoe energie door de materialen zal stromen, volgens de antennestructuur, zegt Chenu.

"Het doel op de zeer lange termijn zou zijn om ontwerpprincipes te hebben voor het oogsten van kunstlicht, ' zegt ze. 'Als we het natuurlijke proces begrijpen, dan kunnen we afleiden wat de ideale onderliggende structuur is, zoals de koppeling tussen pigmenten."

De onderzoekers werken nu aan het toepassen van het model op een fotosynthetische antenne die bekend staat als het phycobilisoom, wat het lichtoogstcomplex is dat in de meeste cyanobacteriën wordt aangetroffen, evenals voor nanostructuren zoals polymeren, dunne films, en nanobuisjes.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.