Как понимание фотосинтеза сообщает солнечной энергии, материаловедению, нанотехнологиям и фотонике

Заводы выполняют ту же самую замечательную уловку, собирая сияющую энергию от солнца и преобразовывая его в биологическую энергию, важную для роста. Этот процесс – усовершенствованные более чем миллиарды лет – известны как фотосинтез.

Теперь, Хао Янь и Нил Вудбери от Института Биодизайна ASU и коллеги из Гарварда и MIT, исследуйте новые методы, чтобы извлечь выгоду из получающих свет тайн Природы. Их новое исследование обрисовывает в общих чертах дизайн синтетической системы для энергетического сбора, преобразования, и транспортируйте, который может указать путь к инновациям в солнечной энергии, материаловедении, нанотехнологиях и фотонике.«Этот мультиинститут, совместное усилие демонстрирует хорошее использование нанотехнологий ДНК, чтобы пространственно управлять и организовать хромофоры для будущих экситонных сетей», сказал Ян

Легкие шагиВ исследовании, появляющемся в продвинутом выпуске онлайн журнала Nature Materials, описана система для запрограммированного собрания собирающих свет элементов или хромофоров.

В естественных системах как заводы и фотосинтетические бактерии, пространственная организация плотно упакованных хромофоров жизненно важна для эффективной, направленной энергетической передачи. Такие биологические системы устраивают хромофоры точным способом на твердых лесах, состоявших из белка.Фактически вся жизнь на земле полагается прямо или косвенно на фотосинтез.

Организмы, используя его эффективно транспортируют энергию солнечного света от рецепторов, которые собирают фотоны от солнечного света к центрам реакции, где энергия может использоваться – работа, легко конкурирующая с самыми эффективными humanmade солнечными батареями.Усилия понять системы сбора урожая естественного света на заводах и фотосинтетических микробах датируются, по крайней мере, век.

Хотя явления были поняты в широкой схеме, детали оказываются сложными, и проблемы в создании синтетических аналогов были значительными.Заводы выполняют фотосинтез, преобразовывая фотоны света, ударяющего их хромофоры в другую форму энергии, известной как экситон. Экситон – энергичное государство молекулы или тесно соединенная группа молекул после того, как они будут взволнованы поглощением света.

Экситоны ценны и в естественном фотосинтезе и в научно-исследовательских работах, чтобы дублировать процесс, потому что они могут нести энергию от одной молекулы до другого, энергия, которая может в конечном счете использовать, чтобы привести движение в действие электронов.Солнечная энергия, как ожидают, будет значительно способствовать глобальному энергоснабжению за следующий век как общественные переходы далеко от использования ископаемого топлива. Чтобы достигнуть этого, исследователи должны изучить, как захватить, передать и снабдить солнечную энергию максимальной производительностью по доступной стоимости.Проектирование от природы

В текущем исследовании молекулы краски, отзывчивые к конкретным диапазонам энергии света, используются в качестве синтетических хромофоров. При помощи ДНК как леса относительные положения молекул краски могут быть точно contolled, лучше подражающие естественные системы.Эти леса ДНК могут самособраться от 6 полос одноцепочечной ДНК, основа которой, соединяющая свойства, заставляют его формировать желаемую структуру. Форма, которая стала оплотом в области нанотехнологий ДНК, известна как двойной переход – или ДУПЛЕКСНАЯ плитка.

Это обычно используется в качестве основы для запрограммированных синтетических собраний ДНК.Обрисованный в общих чертах метод позволяет, чтобы оптимальное расположение хромофоров было смоделировано, произведя получающую свет схему, которая может эффективно нести энергию поглощенного фотона по расстоянию вдоль архитектуры ДНК с минимальной энергетической потерей по пути.

«Способность смоделировать и построить молекулярные схемы для сбора энергии света и перемещения его способом, которым управляют, открывает дверь для проектирования и разработки множества наноразмерных устройств, которые приводят в действие и управляют при свете», сказал Вудбери.Получающаяся синтетическая схема позволяет спектрам поглощения хромофоров быть тонко настроенными способом, подобным получающим естественный свет системам.

Это может быть достигнуто частично, точно управляя ориентацией молекул краски и их расстояния друг от друга.Квантовый прыжок

Недавно, исследователи решили, что часть успеха естественных фотосинтетических систем происходит из-за изворотливых физических эффектов, принадлежащих квантовому миру. Оказывается, что в фотосинтетических организмах, содержащих многократные хромофоры, упакованные плотно вместе, легкое возбуждение может быть разделено между молекулами. Эта особенность – известный как квантовая последовательность – может значительно увеличить эффективность энергетической передачи.

Это – одна причина, что заводы и фотосинтетические бактерии так хороши в нем.Эффективность биологических систем и наномашин в завоевании света и транспортировке энергии вследствие высоко заказанной наноразмерной архитектуры светочувствительных молекул.

За последние несколько десятилетий использование ДНК как шаблон для расположения функциональных элементов как органические красители в точные множества подверглось быстрому прогрессу.В текущем исследовании самособирающиеся свойства ДНК и хромофоров эксплуатировались, чтобы точно определить местоположения для собраний хромофора J-совокупности на ДУПЛЕКСНОЙ плитке. У этих совокупных собраний хромофора J-есть собирающие свет особенности, подобные получающим естественный свет антеннам, используемым фотосинтетическими фиолетовыми бактериями.

Первый шаг должен был определить ряд размеров совокупностей краски хромофора, которые могли успешно самособраться на длине двухспиральной ДНК, в то время как тихое сохранение эффективной энергии передает имущество. Моделирование решило, что минимальная длина ДНК, необходимая, чтобы приспособить стабильную J-совокупность хромофоров, была 8 парами оснований.Затем, схема, состоявшая из четырех совокупностей хромофора, устроенных на ОСНОВАННОЙ НА ДУПЛЕКСЕ плитке, была разработана, смоделирована и оптимизирована, используя принципы квантовой динамики, чтобы вести рациональное собрание многократных осторожных совокупностей краски в ДУПЛЕКСНОЙ плитке ДНК. Совокупности хромофора исследовались в вычислительном отношении, чтобы определить проекты последовательности, показывающие быстрые экситонные транспортные свойства.

Оптимальное проектирование схем тогда синтезировалось, и сложные методы спектроскопии цветения использовались, чтобы точно характеризовать результаты. Дальнейшие расследования попытались точно характеризовать молекулярную организацию хромофоров в единственной J-совокупности.Исследователи оценили, что совокупность 6 молекул краски соберется за 8 сегментов пары оснований ДНК, результата, который выровнял хорошо с более ранними оценками 8-12 молекул краски для каждого поворота двойной винтовой лестницы ДНК. Расстояние разделения 2 пар оснований было полно решимости обеспечить лучшее экситонное сцепление между смежными совокупностями хромофора.

Получающаяся схема показала свойства энергетического транспорта, согласовывающегося с моделированием предсказаний.Будущий светУспех – другая демонстрация власти и многосторонность подхода снизу вверх к собранию наноразмерной архитектуры.

Определенно, дизайн экситонных схем как описанная та мог привести к новым заявлениям вне получающей свет технологии, включая инновации в информационно-коммуникационных технологиях и достижения в областях в пределах от окружающей среды, транспортировки, здравоохранения, производства и энергии.


6 комментариев к “Как понимание фотосинтеза сообщает солнечной энергии, материаловедению, нанотехнологиям и фотонике”

  1. Запорожеца Алиса

    Народная демократия принципиальное отличие Украины от Эрэфии, главное преимущество. Проблема в том, что демократия ещё не работает. Остатки тоталитарного рабства живут в каждом из нас, бывших строителях коммунизма воспитанных на кремлёвских агитках.

  2. Селезнева Злата

    Кремлебот, зарплату урезали, что к вам школота типа тебя идёт одна?

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *