科学家们探索了利用自然光收集秘密的新方法

2019-10-17 08:43:46

绿色的硫细菌在黑海的寒冷水域中栖息。为了掩饰它的孤独,这种生命形式从250英尺深的微弱阳光中获取能量。植物执行相同的显着技巧,从太阳收集辐射能并将其转换为生长必不可少的生物能。经过数十亿年的完善,这一过程被称为光合作用。

现在,美国亚利桑那州立大学生物设计研究所的郝燕和尼尔·伍德伯里以及哈佛大学和麻省理工学院的同事们正在探索利用自然界中的光采秘密的新方法。他们的新研究概述了用于能量收集,转换和传输的合成系统的设计,这可能为太阳能,材料科学,纳米技术和光子学的创新指明道路。

“这种多机构的合作表明,DNA纳米技术很好地用于空间控制和组织发色团,以用于未来的激子网络。”

轻招

在《自然材料》杂志的高级在线期刊上发表的研究中,描述了一种用于聚光元件或发色团编程组装的系统。在植物和光合细菌等自然系统中,密集的发色团的空间组织对于有效的定向能量转移至关重要。这样的生物系统以精确的方式将发色团排列在由蛋白质组成的刚性支架上。

实际上,地球上的所有生命都直接或间接依赖于光合作用。使用它的生物体将来自受体的阳光能量有效地传输,这些受体从阳光中收集光子,到达可以利用能量的反应中心,这一性能很容易与最高效的人造太阳能电池相媲美。

了解植物和光合微生物自然采光系统的努力至少可以追溯到一个世纪之前。尽管已从广义上理解了该现象,但事实证明其细节是复杂的,并且在制造合成类似物方面面临着巨大挑战。

植物通过将撞击发色团的光子转换成另一种形式的能量称为激子,从而进行光合作用。激子是分子或紧密耦合的一组分子在被光吸收激发后的能量状态。激子在自然光合作用和研究过程中都很有价值,因为它们可以将能量从一个分子带到另一个分子,这些能量最终可以用来驱动电子运动。

随着社会逐渐摆脱使用化石燃料的转变,预计太阳能将在下个世纪为全球能源供应做出巨大贡献。为此,研究人员必须学习如何以可承受的成本以最大的效率捕获,转移和存储太阳能。

从自然设计

在当前的研究中,对特定范围的光能有响应的染料分子被用作合成发色团。通过使用DNA作为支架,可以精确地控制染料分子的相对位置,更好地模仿自然系统。

这种DNA支架可以从6条单链DNA条带中自组装,这些条带的碱基配对特性使其形成所需的结构。这种形式已成为DNA纳米技术领域的主流,被称为双交叉或DX-tile。它通常用作已编程合成DNA组件的基本构件。

概述的方法允许对生色团的最佳排列进行建模,从而产生一个光收集电路,该光收集电路可以沿DNA结构沿距离有效地携带吸收的光子的能量,并且沿途的能量损失最少。

伍德伯里说:“建模和建立分子电路以收集光能并以受控方式移动它的能力,为设计和开发各种由光驱动和控制的纳米级设备打开了大门。”

所得到的合成电路允许发色团的吸收光谱以类似于自然光收集系统的方式被微调。这可以通过精确地控制染料分子的方向及其彼此之间的距离来部分实现。

量子飞跃

最近,研究人员已经确定,自然光合作用系统成功的部分原因是由于量子世界产生了奇怪的物理效应。事实证明,在包含紧密结合在一起的多个生色团的光合生物中,分子之间可以共享光激发。此功能-被称为量子相干-可以大大提高能量转移的效率。这是植物和光合细菌如此擅长的原因之一。

生物系统和纳米机器在捕获光和传输能量方面的有效性归因于光活性分子的高度有序的纳米级结构。在过去的几十年中,使用DNA作为模板将诸如有机染料之类的功能性元素排列成精确的阵列已迅速发展。

在当前的研究中,DNA和发色团的自组装特性被用来精确确定DX碎片上J聚集发色团的位置。这些J聚集生色团具有类似于光合作用紫色细菌所使用的自然采光天线的聚光特性。

第一步是确定发色团染料聚集体的大小范围,该聚集体可以在一定长度的双链DNA上成功自组装,同时仍保留有效的能量转移特性。建模确定容纳稳定的生色团J聚集体所需的最小DNA长度为8个碱基对。

接下来,使用量子动力学原理指导DNA DX-tile中多个离散染料聚集体的合理组装,设计,建模和优化了由排列在DX基瓦片上的四个生色团聚集体组成的电路。通过计算探索发色团聚集体,以鉴定显示快速激子传输性质的序列设计。

然后合成最佳电路设计,并使用复杂的荧光光谱方法准确表征结果。进一步的研究试图精确地表征单个J聚集体中发色团的分子组织。

研究人员估计,DNA的每8个碱基对片段将组装6个染料分子,结果与先前估计的DNA双螺旋阶梯每回合的8-12个染料分子一致。确定两个碱基对的分离距离,以在相邻的生色团聚集体之间提供最佳的激子耦合。生成的电路显示出与模型预测一致的能量传输特性。

未来之光

这种成功是对自底向上方法组装纳米级体系结构的强大功能和多功能性的又一证明。具体地说,像上述的激子电路的设计可能会导致光捕获技术之外的新应用,包括信息和通信技术的创新,以及环境,运输,医疗保健,制造和能源等领域的进步。

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