Pflanzen und andere Photosynthese betreibende Organismen nutzen ein breites Spektrum an Pigmenten, um verschiedene Lichtwellenlängen zu absorbieren. Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben jetzt ein theoretisches Modell entwickelt, um das Lichtspektrum vorherzusagen, das von einem Zusammenschluss dieser Pigmente absorbiert wird, basierend auf ihrer Struktur.
Das neue Modell könnte Wissenschaftlern helfen, neue Solarzellentypen aus organischen Materialien zu entwerfen, die Licht effizient einfangen und die lichtinduzierte Anregung kanalisieren.
“Das empfindliche Wechselspiel zwischen der selbstaufbauenden Pigment-Superstruktur und seinen elektrischen, optischen und Transport-Eigenschaften zu verstehen, ist sehr wünschenswert für die Synthese neuer Materialien und das Design und den Betrieb organischbasierter Geräte”, sagte Aurelia Chenu, Postdoktorandin am MIT und Hauptautorin der Studie, die am 3. Januar 2017 in den Physical Review Letters erschien.
Photosynthese wird von allen Pflanzen und Algen sowie einigen Bakterienarten betrieben und erlaubt Organismen, Energie aus Sonnenlicht zu gewinnen, um Zucker und Stärke aufzubauen. Die Schlüssel zu diesem Prozess sind das Einfangen einzelner Photonen durch photosynthetische Pigmente und der anschließende Transport der Anregung in die Reaktionszentren, dem Startpunkt der chemischen Umwandlung. Chlorophyll, das blaues und rotes Licht absorbiert, ist das bekannteste Beispiel, aber es gibt viele weitere. Dazu gehören beispielsweise Carotenoide, die blaues und grünes Licht absorbieren, oder andere Pigmente, die auf das Einfangen des schwachen Lichts in der Tiefsee spezialisiert sind.
Diese Pigmente dienen als Bausteine, die auf verschiedene Weisen angeordnet werden können, um Strukturen zu schaffen, welche als Lichtsammelkomplexe oder Antennen bezeichnet werden. Sie absorbieren verschiedene Lichtwellenlängen, abhängig von der Zusammensetzung der Pigmente und davon, wie sie angeordnet sind.
“Die Natur hat dieses Kunststück vollbracht und aus einer sehr begrenzten Anzahl von Bausteinen eine beeindruckende Vielfalt photosynthetischer Lichtsammelkomplexe hervorgebracht, die hochgradig vielseitig und effizient sind”, sagte Chenu, die auch eine Stipendiatin der Swiss National Science Foundation ist.
Diese Antennen sind in Membranen innerhalb von Zellstrukturen eingebettet oder daran angeheftet, die als Chloroplasten bezeichnet werden. Wenn ein Pigment ein Photon einfängt, wird eines seiner Elektronen in einen höheren Energiezustand versetzt, und diese Anregung wird auf benachbarte Pigmente entlang eines Netzwerks übertragen, das letztendlich zum Reaktionszentrum führt. Von diesem Zentrum aus reist die verfügbare Ladung weiter durch die Photosynthesemaschine und treibt durch einen Kreislauf von chemischen Reaktionen schließlich die Umwandlung von Kohlenstoffdioxid in Zucker an.
Chenu und Jianshu Cao, MIT-Professor für Chemie und der Senior-Autor der Abhandlung, wollten erforschen, wie die Anordnung verschiedener Pigmente die optischen und elektrischen Eigenschaften jeder Antenne bestimmt. Das ist kein direkter Prozess, weil jedes Pigment von Proteinen umgeben ist, welche für eine Feinabstimmung der Wellenlänge des emittierten Photons sorgen. Diese Proteine beeinflussen außerdem die Anregungsübertragung und lassen einen Teil der Energie zerstreuen, wenn sie von einem Pigment zum nächsten fließt.
Das Modell von Chenu und Cao nutzt experimentelle Messungen des Lichtspektrums, das von unterschiedlichen Pigmentmolekülen und ihren umgebenden Proteinen absorbiert wird. Mit dieser Information als Vorgabe kann das Modell das Lichtspektrum vorhersagen, das von irgendeinem Zusammenschluss absorbiert wird, abhängig von den Proteintypen, aus denen er besteht. Das Modell kann auch die Rate des Energietransfers zwischen jedem Zusammenschluss vorhersagen. Diese Technik hat eine lange Geschichte in der Physik, und Theoretiker haben es bereits früher auf die Untersuchung ungeordneter Feststoffe, dipolarer Flüssigkeiten und anderer Systeme angewandt.
“Diese Abhandlung repräsentiert eine neue Erweiterung dieser Technik, um dynamische Fluktuationen zu behandeln, die sich aus der Verbindung zwischen Pigmenten und Proteinumgebungen ergeben”, sagte Cao.
Das Modell liefert erstmals einen systematischen Zusammenhang zwischen der Antennenstruktur und deren optischen und elektrischen Eigenschaften. Wissenschaftler, die an der Entwicklung lichtabsorbierender Materialien arbeiten und Quantenpunkte oder andere Arten lichtempfindlicher Materialien nutzen, könnten dieses Modell verwenden, um Voraussagen zu treffen, welche Wellenlängen absorbiert werden würden und wie die Energie gemäß der Antennenstruktur durch die Materialien fließen würde”, sagte Chenu.
“Das sehr langfristige Ziel wäre, Designprinzipien für künstliche Lichtsammelkomplexe zu haben”, sagte sie. “Wenn wir den natürlichen Prozess verstehen, können wir ableiten, wie die ideale zugrunde liegende Struktur aussieht, etwa bei der Verbindung zwischen Pigmenten.”
Die Forscher arbeiten jetzt daran, das Modell auf eine photosynthetische Antenne anzuwenden, die als Phycobilisom bekannt ist. Dabei handelt es sich um den Lichtsammelkomplex, der in den meisten Cyanobakterien zu finden ist. Außerdem möchten sie das Modell auf Nanostrukturen wie Polymere, dünne Filme und Nanoröhrchen anwenden.
(THK)
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