FOTOSYNTÉZA
Transforácia slnečného žiarenia na užitočnú energiu
Výskumníci objavili novú úlohu pri vibráciách proteínov pri riadení transformácie slnečného žiarenia na užitočnú energiu. Štúdia osvetľuje mechanizmus, ktorý by mohol pomôcť pri navrhovaní lepších solárnych materiálov.
Výskum sa uskutočnil v laboratóriu CIFAR Alana Aspuru-Guzika na Harvardskej univerzite od postgraduálneho študenta CIFAR Dorana Bennetta, Samuela Blaua a Christopha Kreisbecka v spolupráci so Seniorom CIFARom Gregoryom Scholesom na Princetonskej univerzite. Ich zistenia boli uverejnené v zborníku Národnej akadémie vied dňa 27. marca.
Rastliny a riasy nasávajú slnečné svetlo a prenášajú energiu pomocou bielkovín obsahujúcich farebné pigmenty. Pigment, ktorý je napájaný fotónom, môže prechádzať tým budiacou energiou do iného okolitého pigmentu - ako je prechod obušku medzi bežce v relé. Opakovaním tohto procesu sa energia fotónu prenáša do reakčného centra, kde sa používa na produkciu kyslíka a rastu elektrárne.
Vedci sa dlho zaoberali tým, ako rastliny túto energiu premiestňujú tak rýchlo a efektívne cez veľké zbierky pigmentov obklopujúcich každé reakčné centrum.
V tejto štúdii sa vedci zamerali na jeden fotosyntetický proteín známy ako PC645. Použitím počítačových simulácií a experimentálnych údajov zistili, že PC645 kontroluje, kam ide energia, ladí vibráciami pigmentov, aby sa zvýšila energetická prepravná kapacita na konkrétnych trasách.
"Môžete si predstaviť tieto proteíny pomocou vibrácií rôznych pigmentov, ako sú dopravné signály, ktoré posielajú excitácie jedným alebo druhým smerom," vysvetľuje Bennett, ktorý bol v Toronte pre schôdzku programu CIFAR Bio-inspirovaná slnečná energia.
Napríklad, keď je "modrý" pigment vzrušený, môže prechádzať excitáciou na množstvo rôznych susedných pigmentov s podobnými energiami. Ovládaním vibrácií môžu proteíny nasmerovať "modrý" pigment na prechod excitácie na špecifický "červený" pigment, čím sa preskakujú pigmenty s prechodnými farbami.
"Divná vec je, že keď spustíte experimenty, excitácia nevystupuje z energetického rebríka, skočí z najvyššieho stupňa do najnižšieho stupňa a nikdy sa nedotkne ničoho, čo vás pýši - prečo? A čo je dôležitejšie, ako? " hovorí Bennett.
Predtým sa vedci domnievali, že to možno vysvetliť iba kvantovými efektmi, ako je zapletenie. Vibronická koherentnosť - spletenosť medzi elektrónovým a vibračným pohybom - bola považovaná za potrebnú pre rýchle skoky medzi veľmi rôznymi úrovňami energie. Tento nový výskum však naznačuje, že to, čo je potrebné, nie je vibračnou súdržnosťou, ale veľkým pásmom vibrácií, ktoré preklenú energetickú medzeru medzi dvoma pigmentmi.
"Z hľadiska materiálu je tento druh klasického mechanizmu užitočnejší, pretože je robustný na rozumné úrovne poruchy, ktoré môžu dosiahnuť súčasné syntetické techniky," hovorí Bennett.
Bennett a jeho kolegovia pokračujú v ďalšom výskume v niekoľkých smeroch, vrátane pokračovania v štúdiu, ako môžu fotosyntetické proteíny riadiť a zvyšovať transport energie potrebný pre efektívnu fotosyntézu. Tiež sa zaujímajú o používanie týchto princípov prirodzeného dizajnu na vývoj nových solárnych materiálov.
"Jednou z kľúčových výziev je, že potrebujeme lepšie nástroje," vysvetľuje Bennett, "táto simulácia vyžadovala 10 miliónov CPU hodín a viac ako dva roky ľudského času na štúdium jedného proteínu. V budúcnosti dúfame, že to urýchli, techniky požičiavania z oblasti strojového učenia. "
solardayly/