新模型助力人工光合作用材料的設計

材料牛注：模擬光合作用儲存太陽能的技術早在上世紀70年代初就進入了科學家的視線。幾十年來，研究人員一直在嘗試復制綠色植物分解水的方式。利用化學方式，科學家早已能夠完成水的分解反應，但這些化學反應條件非常苛刻，溫度很高，溶液具有腐蝕性很強的堿性，而且催化劑需要用到鉑等稀有而昂貴的化合物。丹尼爾的設計就像光合作用一樣，分解水的反應在室溫下就可進行，溶液也沒有腐蝕性，更重要的是催化劑非常便宜，可以很容易地得到氫氣和氧氣。

麻省理工學院的研究人員開發了一種新模型，可以幫助科學家設計人工光合作用材料。如上圖所示，這種光合天線由幾種色素和它們相連的蛋白質組成，負責收集光能。

植物和其他光合生物使用各種各樣的色素吸收不同波長的光。 麻省理工學院的研究人員現在開發了一個理論模型，根據它們的結構來預測這些色素的聚集體吸收的光譜。根據研究人員介紹，新模型可以幫助指導科學家設計由有機材料制成能有效捕獲光并傳輸光誘導激發的新型太陽能電池。在1月3日的Physical Review Letters中，這項研究的主要作者MIT博士后Aurelia Chenu解釋，“理解自組裝顏料上層結構與其電子、光學和傳輸性質之間的敏感的相互作用對于合成新材料以及有機基器件的設計和制備是非常必要的”。

所有植物和藻類以及某些的細菌進行的光合作用使得生物體可以利用來自陽光的能量來合成糖和淀粉。這個過程的關鍵是通過光合色素捕獲光的單個光子，并隨后將激發轉移到反應中心（化學轉化的起始點）。吸收藍色和紅色光的葉綠素是廣為人知的例子，但此外還有很多其他色素，如吸收藍色和綠色光的類胡蘿卜素，以及其他專門捕獲海洋深處稀缺的可用光的色素。這些色素作為結構單元可以以不同的方式排列以產生被稱為光收集絡合物或天線的結構，其由于色素組成和組裝方式不同而吸收不同波長的光。

Chenu也是瑞士國家科學基金會的研究員，他說：“自然界已經掌握了這種藝術，從非常有限的幾個構筑模塊發展而來，光合光收獲復合物的多樣性令人印象深刻，它們具有高度的通用性和高效性。這些天線嵌入或附著在稱為葉綠體的細胞結構的膜上。當色素捕獲光的光子時，其一個電子被激發到更高的能級，并且該激發沿著網絡傳遞最終導向色素附近的反應中心。從該中心，可用電荷進一步通過光合裝置，最終通過一個化學反應循環將二氧化碳轉化為糖。

Chenu和Jianshu Cao，一位是麻省理工學院化學教授和另一位是這篇論文的資深作者，他們想探討不同顏料的組織如何決定每個天線的光學和電學性質。這并非易事，因為每種色素都被蛋白質包圍，這樣可以微調所發射的光子的波長。這些蛋白質還影響激發的轉移，并且當它從一種色素流向下一種色素時會引起一些能量散失。

Chenu和Cao的新模型使用由不同色素分子及其周圍蛋白質吸收的光的光譜的實驗測量值。使用該信息作為輸入值，該模型可以預測由任何聚集物吸收光的光譜，這取決于其包含的色素的類型。該模型還可以預測每個聚集體之間的能量傳遞速率。這種技術在物理學方面有悠久的歷史，理論學家曾將其應用于無序固體、偶極液體和其他體系的研究。“本文將展示這種技術的新型擴展，以處理色素和蛋白質環境之間的耦合產生的動態波動，”Cao說。

該模型首次提出了天線結構與其光學、電學性質之間的系統聯系。 “根據天線結構，科學家在設計吸光材料時，使用量子點或其他類型的光敏材料，可以使用該模型來幫助預測什么樣的光將被吸收以及能量將如何流過材料”， Chenu說。

她說：“長期目標是制定人工光采集的設計原則。 “如果我們了解自然過程，那么我們可以推斷出什么是理想的基礎結構，如色素之間的耦合。研究人員正在研究將模型應用于被稱為藻膽的光合天線（在大多數藍細菌中發現的光捕獲復合物），以及納米結構如聚合物、薄膜和納米管。

原文鏈接：New Model Could Help Scientists Design Materials for Artificial Photosynthesis.

文獻地址：?Construction of Multichromophoric Spectra from Monomer Data: Applications to Resonant Energy Transfer.

本文由材料人編輯部月亮提供素材，洪揚編譯，點我加入材料人編輯部。

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