研究人员发现了蛋白质振动在控制阳光转化为有用能量方面的新作用。这项研究阐明了一种有助于设计更好的太阳能材料的机制。
这项研究是由CIFAR博士后研究员Doran Bennett，Samuel Blau和Christoph Kreisbeck与普林斯顿大学CIFAR高级研究员Gregory Scholes合作在哈佛大学CIFAR高级研究员Alan Aspuru-Guzik的实验室中进行的。他们的发现发表在3月27日的《美国国家科学院院刊》上。
植物和藻类吸收阳光并使用持有有色颜料的蛋白质来传递能量。由光子激发的颜料可以将激发能传递给附近的另一种颜料-就像在接力棒中的接力棒之间传递警棒一样。通过重复此过程，光子的能量被带到反应中心，在此它被用来产生氧气并促进植物的生长。
长期以来，科学家一直想知道植物如何快速高效地在每个反应中心周围的大量色素上转移这种能量。
在这项研究中，研究人员专注于一种称为PC645的光合蛋白。利用计算机模拟和实验数据，他们发现PC645通过调节颜料的振动来增强能量沿特定路径的传输，从而控制能量的流向。
贝尼特解释说：“您可以想象这些蛋白质是利用不同色素的振动，例如交通信号向一个方向或另一个方向发出激励，”贝内特解释说。
例如，当激发“蓝色”颜料时，它可以将激发传递给许多具有相似能量的不同相邻颜料。通过控制振动，蛋白质可以引导“蓝色”颜料将激发的光传递给特定的“红色”颜料，从而跳过具有中间颜色的颜料。
“奇怪的是，当您进行实验时，激励不会降低能量梯级。它从最高的梯级跳到最低的梯级，而从中间不会碰到任何东西。这让您想知道-为什么而且更重要的是，如何?” 贝内特说。
以前，研究人员认为这只能由纠缠等量子效应来解释。振动相干性-电子与振动运动之间的纠缠-被认为对于非常不同的能级之间的快速跳跃是必要的。但是，这项新研究表明，所需要的不是振动相干性，而是弥合两种颜料之间能隙的大范围振动。
Bennett说：“从物质的角度来看，这种经典机制更有用，因为它对当前合成技术所能达到的合理无序水平具有鲁棒性。”
Bennett和他的同事正在朝多个方向进行进一步研究，包括继续研究光合作用蛋白如何控制和增强有效光合作用所需的能量传输。他们也对使用这些自然设计原理来帮助开发新的太阳能材料感兴趣。
Bennett解释说：“主要挑战之一是我们需要更好的工具，这种模拟需要一千万个CPU小时和两年以上的人类时间来研究一种蛋白质。在未来，我们希望加快速度，可能是通过借鉴了机器学习领域的技术。”