新模式可以帮助科学家设计用于人造光合作用的材料

时间：2021-12-03 11:25:04 来源：

这种光合天线由几种颜料组成，该颜料收集光能，以及它们的相关蛋白质。

来自麻省理工学院的研究人员已经开发出一种新型模式，可以帮助科学家设计人造光合作用材料。

植物和其他光合生物使用各种颜料来吸收不同波长的光。麻省理工学院研究人员现在已经开发了一种理论模型，以预测这些颜料的聚集体吸收的光谱，基于它们的结构。

根据研究人员，新模式可以帮助指导科学家设计由有机材料制成的新型太阳能电池制成的有机材料制成的有效捕获光和漏斗。

“了解自组装颜料上层建筑和其电子，光学和传输性能之间的敏感相互作用是对新材料的合成以及有机型器件的设计和操作来说是非常理想的，”Aurelia Chenu，MIT Postdoc和该研究的主要作者，在1月3日出现在物理审查信中。

由所有植物和藻类以及某种类型的细菌进行的光合作用允许生物从阳光下利用能量来制造糖和淀粉。该过程的关键是通过光合色素捕获单一的光子，以及随后的激发转移到反应中心，化学转化的起点。吸收蓝色和红光的叶绿素是最着名的例子，但还有更多，如类胡萝卜素，吸收蓝色和绿灯，以及专门用于捕获海洋中深度稀缺光的其他人。

这些颜料用作结构块，其可以以不同的方式布置，以产生称为光收集复合物的结构，或者天线，其根据颜料的组成和组装方式吸收不同波长的光。

“大自然已经掌握了这一艺术，从一个非常有限的建筑物中断了令人印象深刻的光合光收获综合体的令人印象深刻的普遍性，这是高度多功能和有效的，”陈都也是瑞士国家科学基金会的研究员。

这些天线嵌入或附着在称为叶绿体的细胞结构中的膜上。当颜料捕获光子的光子时，其一个电子变得激发到更高的能级，并且该激发沿着最终导致反应中心的网络传递到附近的颜料。从该中心来，可用的电荷进一步通过光合机械行进，最终通过化学反应的循环来驱动二氧化碳转化为糖。

Chenu和Jianshu Cao，化学和论文的高级作者，希望探索不同颜料的组织如何确定每个天线的光学和电气性能。这不是一个直接的过程，因为每个颜料被蛋白质包围，所述蛋白质是微调发射光子的波长。这些蛋白质也影响激发的转移并导致一些能量在从一个颜料流到下一个颜料时散发。

Chenu和Cao的新模型使用不同颜料分子和周围蛋白质吸收的光谱的实验测量。使用该信息作为输入，模型可以预测任何聚集的光谱，这取决于它包括的颜料类型。该模型还可以预测每个聚合之间的能量传递速率。

这种技术在物理学中具有悠久的历史，并且理论家以前已经应用于研究无序的固体，偶极液体和其他系统。

“本文代表了这种技术的新颖延伸，以治疗颜料与蛋白质环境之间的偶联产生的动态波动，”Cao说。

该模型首次提供了天线结构和光学和电气性能之间的系统链路。根据天线结构的情况，研究吸收光线，使用量子点或其他类型的光敏材料设计的科学家可以使用该模型来帮助预测将吸收哪种光线以及如何通过材料流过材料， chenu说。

“长期目标是有设计原则进行人造光收获，”她说。“如果我们理解自然过程，那么我们可以推断出理想的底层结构，如颜料之间的耦合。”

研究人员现在正在努力将模型应用于称为Phycobilisome的光合天线，这是大多数蓝细菌中发现的光收获络合物，以及纳米结构，如聚合物，薄膜和纳米管。

出版物：AURÉLIAChenu和Jianshu Cao，“从单体数据建造多尺寸光谱：应用于共振能量转移，“物理”。莱特牧师2017,118,013001; DOI：10.1103 / physrevlett.118.013001

这种光合天线由几种颜料组成，该颜料收集光能，以及它们的相关蛋白质。

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