Företag som tillverkar kommersiella solceller är glada om de kan uppnå 20 procents effektivitet när de konverterar solljus till el; en förbättring på till och med 1 procent ses som ett stort framsteg. Men naturen, som har haft miljarder år på sig att finjustera fotosyntesen, kan göra mycket bättre:mikroorganismer som kallas gröna svavelbakterier, som lever djupt i havet där det knappt finns något ljus tillgängligt, lyckas skörda 98 procent av energin i ljuset som når dem.

Nu, forskare under ledning av en postdoc vid MIT har analyserat ett konstgjort system som modellerar den ljusfångande metoden som används av djuphavsbakterier. Ytterligare framsteg när det gäller att förstå grundläggande ljusskördande processer kan ge helt nya metoder för att fånga solenergi, säger forskarna. Deras resultat rapporterades 1 juli i tidskriften Naturkemi .

Det konstgjorda systemet, beskrivs i en tidigare artikel av postdoc Dörthe M. Eisele från MIT:s forskningslaboratorium för elektronik och medarbetare, består av ett självmonterande system av färgämnesmolekyler som bildar perfekt enhetliga dubbelväggiga nanorör. Dessa rör - bara cirka 10 nanometer breda men tusentals gånger längre - är lika i storlek, formar och fungerar till naturliga receptorer som används av gröna svavelbakterier som samlar energi från de små mängder solljus som tränger ner till havets djup.

"Det är en av naturens stora hemligheter, hur man skördar ljus så effektivt, säger Eisele. Hennes medförfattare inkluderar Moungi G. Bawendi och avlidne Robert J. Silbey, båda MIT-professorerna i kemi, tillsammans med medarbetare vid Humboldt University of Berlin, University of Texas i Austin och University of Groningen i Nederländerna.

Eisele säger att denna speciella typ av nanorör är osannolikt att hitta praktiska tillämpningar. Snarare, hon säger, dessa experiment utformades för att studera underliggande principer som sedan kunde användas för att hitta optimala material för speciella användningsområden. "Det här systemet är så intressant eftersom det är ett vackert modellsystem, " säger hon, för att analysera hur sådana strukturer reagerar på ljus.

Till skillnad från typiska självmonterande system där varje struktur kan vara lite olika, dessa dubbelväggiga rör, gjord av ett cyaninbaserat färgämne, bildar perfekt enhetliga former och storlekar.

Det gör det till ett perfekt modellsystem, Eisele förklarar, eftersom vetskapen om att alla nanorör i en lösning är identiska gör det möjligt att studera deras egenskaper i bulk, snarare än att behöva isolera svaret från varje enskilt rör.

En grundläggande fråga som teamet ville ta upp var om de två koncentriska cylindrarna i de dubbelväggiga rören samarbetade som ett integrerat system för att fånga ljusets energi, eller om varje cylinder verkade på egen hand.

För att svara på den frågan, Eisele och hennes team utarbetade ett sätt att avaktivera en av de två cylindrarna genom att oxidera ytterväggens molekyler. "Den rörformade strukturen är fortfarande intakt, men det dödar ytterväggens optiska respons, så det som finns kvar är den inre väggens optiska respons, " säger hon. "Det är ett väldigt enkelt och elegant sätt att isolera innerväggens spektrum."

Genom att jämföra optiska svar när båda cylindrarna fungerar och när bara en fungerar, det är möjligt att avgöra hur mycket interaktion som sker mellan de två cylindrarna. "När du tittar på dynamiken i redoxreaktionen, " säger Eisele, "du ser att dessa två cylindrar kan ses som två separata system."

Att karakterisera denna förenklade konstgjorda struktur kan göra det möjligt för forskare att bygga mer effektiva ljusupptagningsanordningar. "Naturen hade miljontals år på sig att optimera" hur organismer fångar energi, Eisele säger; att förstå hur det gjorde det kan leda till bättre konstgjorda system.

"Vi vill inte förbättra effektiviteten hos solceller vi har nu, " säger hon. "Vi vill lära av naturen hur man bygger helt nya ljusskördande enheter."

Gregory Scholes, D.J. LeRoy Distinguished Professor of Kemi vid University of Toronto, som inte var involverad i detta arbete, säger, "Forskarna använde utsökta experiment för att testa hur komponenterna i nanoskala i detta system interagerar efter fotoexcitation." Han tillägger att arbetet "ger viktiga insikter i utformningen av stora sammansättningar av molekyler för tillämpningar i "ljusskörd."

Forskningen stöddes av Deutsche Forschungsgemeinschaft, Integrative Research Institute for the Sciences i Berlin, National Science Foundation, Alexander von Humboldts stiftelse, Department of Energy Center for Excitonics, Army Research Office och Defense Advanced Research Projects Agency.

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.