Искусственные молекулярные «антенны» для бактериального фотосинтеза

Источник: phys.org

Растения очень хорошо преобразуют солнечный свет в энергию. Люди же никак не могут добиться такой же эффективности. Гибридные системы из натуральных и синтетических компонентов могут открыть новые пути для сбора солнечной энергии. Итальянские исследователи Джанлука М. Фаринола и Массимо Тротта представили новый вариант такой системы. Во всех организмах, использующих фотосинтез, процесс проходит примерно одинаково. Пигмент (специальный белковый комплекс) захватывает световые лучи, как антенны ловят радиоволны, и направляет их к фотохимическому ядру — реакционному центру. Там энергия преобразуется в электричество. Отрицательно заряженный электрон отрывается от молекулярного ядра, образуется положительно заряженная «дырка». Эти заряды должны существовать отдельно друг от друга достаточно долго, чтобы быть использованными.

В растениях электрон и «дырка» участвуют в метаболизме. В искусственных приложениях заряженные частицы могут быть использованы для проведения окислительно-восстановительных реакций, таких, как расщепление воды на водород и кислород. Искусственные системы, способные эффективно улавливать свет и использовать энергию для разделения зарядов, уже имеются. Но срок жизни электронно — дырочных пар не превышает миллисекунд, что уменьшает эффективность отвода энергии. Интересный подход к решению проблемы — использование гибридных систем, включающих синтетические «антенны» и натуральный «преобразователь света». Ранее в качестве антенн использовались наноразмерные полупроводниковые структуры — так называемые «квантовые точки». Итальянские ученые предложили новый вариант «антенны» — индивидуальные  молекулы органического красителя.

Они имеют ряд преимуществ по сравнению с неорганическими структурами. Во-первых, разнообразие органических соединений позволяет проводить тонкую настройку спектроскопических и электронных свойств «антенны». Во-вторых, структура таких молекул обладает большей гибкостью, чем у квантовых точек. Ее можно модифицировать таким образом, чтобы антенна практически не влияла на реакционный центр и его функции. Кроме того, органические молекулы могут быть присоединены практически к любому месту реакционного центра. Г-да Фаринола и Трота объединили свои антенны с реакционным центром известной пурпурной бактерии Rhodobacter Sphaeroides R-26. Эксперименты показали, что молекулы красителя не нарушают функцию естественного преобразования света. При этом они улучшают деятельность центра в том диапазоне волн, который недостаточно эффективно поглощается чисто биологической системой.