Växter och andra fotosyntetiska organismer använder en mängd olika pigment för att absorbera olika våglängder av ljus. MIT-forskare har nu utvecklat en teoretisk modell för att förutsäga spektrumet av ljus som absorberas av aggregat av dessa pigment, baserat på deras struktur.

Den nya modellen kan hjälpa forskare att designa nya typer av solceller gjorda av organiska material som effektivt fångar ljus och kan leda den ljusinducerade excitationen, enligt forskarna.

"Förstå det känsliga samspelet mellan den självmonterade pigmentöverbyggnaden och dess elektroniska, optisk, och transportegenskaper är mycket önskvärda för syntesen av nya material och utformningen och driften av organiskt baserade enheter, " säger Aurelia Chenu, en MIT postdoc och huvudförfattaren till studien, som dök upp i Fysiska granskningsbrev den 3 januari.

Fotosyntes, utförs av alla växter och alger, samt vissa typer av bakterier, tillåter organismer att utnyttja energi från solljus för att bygga socker och stärkelse. Nyckeln till denna process är infångningen av enstaka fotoner av ljus av fotosyntetiska pigment, och den efterföljande överföringen av excitationen till reaktionscentra, utgångspunkten för kemisk omvandling. Klorofyll, som absorberar blått och rött ljus, är det mest kända exemplet, men det finns många fler, som karotenoider, som absorberar blått och grönt ljus, såväl som andra specialiserade på att fånga det knappa ljuset som finns djupt i havet.

Dessa pigment fungerar som byggstenar som kan arrangeras på olika sätt för att skapa strukturer som kallas ljusskördande komplex, eller antenner, som absorberar olika våglängder av ljus beroende på pigmentens sammansättning och hur de är sammansatta.

"Naturen har bemästrat denna konst, utvecklas från ett mycket begränsat antal byggstenar och en imponerande mångfald av fotosyntetiska ljusskördande komplex, som är mycket mångsidiga och effektiva, " säger Chenu, som också är fellow i Swiss National Science Foundation.

Dessa antenner är inbäddade i eller fästa vid membran i cellstrukturer som kallas kloroplaster. När ett pigment fångar en foton av ljus, en av dess elektroner blir exciterade till en högre energinivå, och att excitation överförs till närliggande pigment längs ett nätverk som så småningom leder till reaktionscentrumet. Från det centret, den tillgängliga laddningen färdas vidare genom fotosyntesmaskineriet för att så småningom driva omvandlingen av koldioxid till socker genom en cykel av kemiska reaktioner.

Chenu och Jianshu Cao, en MIT-professor i kemi och tidningens seniorförfattare, ville utforska hur organisationen av olika pigment bestämmer de optiska och elektriska egenskaperna hos varje antenn. Detta är inte en enkel process eftersom varje pigment är omgivet av proteiner som finjusterar våglängden på den emitterade fotonen. Dessa proteiner påverkar också överföringen av excitation och gör att en del av energin försvinner när den flödar från ett pigment till nästa.

Chenu och Caos nya modell använder experimentella mätningar av spektrumet av ljus som absorberas av olika pigmentmolekyler och deras omgivande proteiner. Genom att använda denna information som indata, modellen kan förutsäga spektrumet av ljus som absorberas av vilken aggregation som helst, beroende på vilken typ av pigment den innehåller. Modellen kan också förutsäga hastigheten för energiöverföring mellan varje aggregat.

Denna teknik har en lång historia inom fysik, och teoretiker har tidigare tillämpat det på att studera oordnade fasta ämnen, dipolära vätskor, och andra system.

"Detta dokument representerar en ny förlängning av denna teknik för att behandla dynamiska fluktuationer som uppstår från kopplingen mellan pigment och proteinmiljöer, " säger Cao.

Modellen ger, för första gången, en systematisk koppling mellan antennernas struktur och deras optiska och elektriska egenskaper. Forskare som arbetar med att designa material som absorberar ljus, använda kvantprickar eller andra typer av ljuskänsliga material, kan använda den här modellen för att förutsäga vilka typer av ljus som kommer att absorberas och hur energi kommer att flöda genom materialen, enligt antennstrukturen, säger Chenu.

"Det mycket långsiktiga målet skulle vara att ha designprinciper för skörd av artificiellt ljus, " säger hon. "Om vi ​​förstår den naturliga processen, då kan vi sluta oss till vad som är den ideala underliggande strukturen, såsom kopplingen mellan pigment."

Forskarna arbetar nu med att applicera modellen på en fotosyntetisk antenn känd som phycobilisome, vilket är det ljusskördande komplex som finns i de flesta cyanobakterier, såväl som till nanostrukturer som polymerer, tunna filmer, och nanorör.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.