Fotosyntes tillåter växter att omvandla ljus till kemisk energi. Att använda denna process för att producera elektrisk energi är ett forskningsmål över hela världen. Nu har ett team av forskare vid Technische Universitaet Muenchen och Tel Aviv University lyckats direkt härleda och mäta den fotoelektriska strömmen som genereras av enstaka molekyler i fotosystemet I.

Ett team av forskare, ledd av Joachim Reichert, Johannes Barth, och Alexander Holleitner (Technische Universitaet Muenchen), och Itai Carmeli (Tel Aviv University) utvecklade en metod för att mäta fotoströmmar i ett enda funktionaliserat fotosyntetiskt proteinsystem. Forskarna kunde visa att ett sådant system kan integreras och selektivt adresseras i artificiella fotovoltaiska anordningsarkitekturer samtidigt som de behåller sina biomolekylära funktionella egenskaper. Proteinerna representerar ljusdrivna, högeffektiva enmolekylära elektronpumpar som kan fungera som strömgeneratorer i elektriska kretsar i nanoskala. Det tvärvetenskapliga teamet publicerar resultaten i Naturens nanoteknik Denna vecka.

Forskaren undersökte fotosystem-I-reaktionscentret som är ett klorofyllproteinkomplex beläget i membran av kloroplaster från cyanobakterier. Växter, alger och bakterier använder fotosyntes för att omvandla solenergi till kemisk energi. De första stadierna av denna process – där ljus absorberas och energi och elektroner överförs – förmedlas av fotosyntetiska proteiner som består av klorofyll- och karotenoidkomplex. Tills nu, ingen av de tillgängliga metoderna var tillräckligt känsliga för att mäta fotoströmmar som genererades av ett enda protein. Photosystem-I uppvisar enastående optoelektroniska egenskaper som endast finns i fotosyntetiska system. Nanoskaladimensionen gör fotosystem-I till en lovande enhet för tillämpningar inom molekylär optoelektronik.

Den första utmaningen fysikerna fick bemästra var utvecklingen av en metod för att elektriskt kontakta enskilda molekyler i starka optiska fält. Det centrala elementet i den realiserade nanoenheten är fotosyntetiska proteiner som är självmonterade och kovalent bundna till en guldelektrod via cysteinmutationsgrupper. Fotoströmmen mättes med hjälp av en guldtäckt glasspets som användes i en scanning närfälts optisk mikroskopiuppställning. De fotosyntetiska proteinerna exciteras optiskt av ett fotonflöde som leds genom den tetraedriska spetsen som samtidigt ger den elektriska kontakten. Med denna teknik, fysikerna kunde övervaka fotoströmmen som genererades i enstaka proteinenheter.