Forskare från University of Michigan har utvecklat ett kraftfullt mikroskop som kan kartlägga hur ljusenergi migrerar i fotosyntetiska bakterier på tidsskalor av en kvadriljondels sekund.

Mikroskopet kan hjälpa forskare att utveckla mer effektiva organiska solcellsmaterial, en typ av solceller som skulle kunna ge billigare energi än kiselbaserade solceller.

I fotosyntetiska växter och bakterier, ljus träffar bladet eller bakterierna och ett system av små ljusuppsamlande antenner transporterar det genom proteiner till det som kallas ett reaktionscentrum. Här, ljus "fångas" och omvandlas till metabolisk energi för organismerna.

Jennifer Ogilvie, U-M professor i fysik och biofysik, och hennes team vill fånga rörelsen av denna ljusenergi genom proteiner i en cell, och teamet har tagit ett steg mot det målet i att utveckla detta mikroskop. Deras studie har publicerats i Naturkommunikation .

Ogilvie, doktorand Yassel Acosta och postdoktor Vivek Tiwari arbetade tillsammans för att utveckla mikroskopet, som använder en metod som kallas tvådimensionell elektronisk spektroskopi för att generera bilder av energimigration i proteiner under fotosyntes. Mikroskopet avbildar ett område som är lika stort som en femtedel av en mänsklig blodkropp och kan fånga händelser som tar en period på en kvadriljondels sekund.

Tvådimensionell spektroskopi fungerar genom att avläsa energinivåerna i ett system på två sätt. Först, den läser våglängden av ljus som absorberas i ett fotosyntetiskt system. Sedan, den läser av ljusets våglängd som detekteras i systemet, gör att energin kan spåras när den strömmar genom organismen.

Instrumentet kombinerar denna metod med ett mikroskop för att mäta en signal från nästan en miljon gånger mindre volymer än tidigare. Tidigare mätningar avbildade prover i genomsnitt över sektioner som var en miljon gånger större. Genomsnittet över stora sektioner döljer de olika sätt som energi kan röra sig inom samma system.

"Vi har nu kombinerat båda dessa tekniker så att vi kan få riktigt snabba processer såväl som riktigt detaljerad information om hur dessa molekyler interagerar, " Sa Ogilvie. "Om jag tittar på en nanoskopisk region av mitt prov kontra en annan, spektroskopin kan se väldigt olika ut. Tidigare, det visste jag inte, eftersom jag bara fick medelmåttet. Jag kunde inte lära mig om skillnaderna, vilket kan vara viktigt för att förstå hur systemet fungerar."

Vid utvecklingen av mikroskopet, Ogilvie och hennes team studerade kolonier av fotosyntetiska lila bakterieceller. Tidigare, forskare har främst tittat på renade delar av dessa typer av celler. Genom att titta på ett intakt cellsystem, Ogilvie och hennes team kunde observera hur ett komplett systems olika komponenter samverkade.

Teamet studerade också bakterier som hade odlats under starkt ljus, låga ljusförhållanden och en blandning av båda. Genom att spåra ljus som sänds ut från bakterierna, mikroskopet gjorde det möjligt för dem att se hur energinivåstrukturen och energiflödet genom systemet förändrades beroende på bakteriernas ljusförhållanden.

Liknande, detta mikroskop kan hjälpa forskare att förstå hur organiska solcellsmaterial fungerar, säger Ogilvie. Istället för ljusskördande antennkomplex som finns i växter och bakterier, organiska fotovoltaiska material har vad som kallas "donator"-molekyler och "acceptor"-molekyler. När ljus färdas genom dessa material, donatormolekylen skickar elektroner till acceptormolekyler, generera elektricitet.

"Vi kanske upptäcker att det finns regioner där exciteringen inte producerar en laddning som kan skördas, och då kanske vi hittar regioner där det fungerar riktigt bra, ", sa Ogilvie. "Om vi ​​tittar på interaktionerna mellan dessa komponenter, vi kanske kan korrelera materialets morfologi med vad som fungerar bra och vad som inte fungerar."

I organismer, dessa zoner uppstår eftersom ett område av organismen kanske inte får lika mycket ljus som ett annat område, och är därför packad med ljusskördande antenner och få reaktionscentra. Andra områden kan översvämmas av ljus, och bakterier kan ha färre antenner – men fler reaktionscentra. I solcellsmaterial, 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."