科学家们创造出可以收获光能的合成电路 2017-05-14 02:13:28

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通过在DNA支架上组织色素,麻省理工学院领导的研究人员团队设计了一种光捕获材料,该材料与天然存在的光合作用结构紧密相似

研究人员使用由DNA支架制成的新结构来制造自然模拟的太阳能材料发生光合作用的结构研究人员表明,他们的合成材料可以吸收光线并有效地沿着精确控制的通道传递能量

这种结构可以结合到玻璃或纺织品等材料中,使它们能够收获或以其他方式控制来自太阳光的能量

麻省理工学院生物工程系副教授Mark Ba​​the“这是第一次纯天然采光回路的合成模拟,它由密集的染料簇组成,这些染料在纳米级空间精确组织,如细菌系统,“Bathe说,一个纳米蛋白ter是十亿分之一米,或者是人类头发厚度的1 / 10,000 Bathe是这项新研究的资深作者之一,还有哈佛大学化学与化学生物学教授Alan Aspuru-Guzik和郝Yan,亚利桑那州立大学化学与生物化学教授,该论文的主要作者,出现在11月13日出版的“自然材料”杂志上,前任麻省理工学院博士后Etienne Boulais,哈佛大学研究生Nicolas Sawaya和麻省理工学院博士后RémiVeneiano捕获光数十亿年来,植物和光合细菌已经进化出有效的细胞结构,用于从太阳获取能量

这个过程需要捕获光子(光能包)并将它们转换成激子 - 一种特殊类型的准粒子可以携带能量来自这些激子的能量是然后通过称为反应中心的蛋白质和色素复合物转移到其他分子,并最终被植物用于构建糖分子虽然科学家已经开发出可靠的技术来携带电子(如半导体)和光子(光纤),但提出控制激子的方法已经证明更具挑战性四年前,Bathe,Aspuru-Guzik和Yan开始研究合成结构可以模仿自然光捕获组件这些组件通常在称为叶绿体的细胞器中发现,具有复杂的结构,可以有效捕获和传输纳米级的太阳能

“光合作用光收获的真正令人惊奇的是它与有机体的需求,“麻省理工学院化学助理教授Gabriela Schlau-Cohen说道,他也是该论文的作者”当需要时,每一个吸收的光子都可以通过围绕反应中心的蛋白质网络迁移,发电“研究人员开始通过将捕光颜料附加到研究支架上来模仿这些结构DNA在过去的几年里,Bathe的实验室设计了新的方法来编程DNA以折叠特定的形状,去年Bathe和他的同事们创建了一种新的计算机编程工具,可以自动设计几乎任何形状的DNA支架的过程

在这项研究中,研究人员希望利用DNA支架在空间上组织密集的颜料簇,类似于自然界中发现的那些.Boulais发现1977年的一篇论文表明,一种叫做假酞菁(PIC)的合成色素聚集在天然存在的DNA的特定序列上形成研究人员正在寻找的结构类型,称为J-聚合物然而,由于这种方法使用了天然存在的DNA,因此没有办法控制聚类的间距,大小或三维空间组织.Wenardiano测试了研究人员的能力使用合成DNA将这些J聚集体模板化为具有不同2-D组织的离散聚类,Boulais和Sawaya致力于计算设计可定制的合成DNA支架,将这些聚集体组织成电路,吸收光子并沿着可预测的路径传输所产生的激子通过编程特定的DNA序列,研究人员可以控制染料分子簇的精确位置和密度

一种刚性的双链DNA支架 他们通过计算方式模拟了染料分子数量,它们的方向以及它们之间的距离等因素如何影响所得电路的效率,分析了许多版本的电路的能量转移效率“光合生物组织它们的光捕获精确使用蛋白质支架的分子到目前为止,这种结构控制在合成系统中很难实现

看起来DNA折纸提供了一种模仿光合光捕获复合物的许多原理的方法,“Gregory Scholes说,普林斯顿大学化学教授没有参与该研究由共同作者苏林领导的亚利桑那州立大学团队的一部分,进行了一系列光谱测量,以证明所设计的DNA结构产生了所需的J-聚集体,并进行了表征

他们的光物理特性Schlau-Cohen,他使用先进的光谱技术来分析光 - ha天然和合成的rvesting系统表明,这些致密的颜料组件能够有效地吸收光能并沿着特定的途径传输它

“我们展示了使用J聚合染料控制交通模式的能力,而不仅仅是激子能够控制多远旅行这很重要,因为它为功能材料的设计提供了多功能性,“Bathe说”激子系统的自下而上设计一直是我们能源前沿研究中心(EFRC)的重点目标我很高兴看到一个重要的踏脚石展示自下而上的激子流控制,“Aspuru-Guzik说他补充说”需要将合成,理论和表征紧密结合起来的多学科研究才能达到这一点“新材料研究人员认为这些合成结构可以整合到二维和三维材料,如玻璃或纺织品,使这些材料能够吸收阳光和co将其转化为其他形式的能量,如电,或以其他方式存储或利用能量结构也可能形成量子计算机的新基础,在纳米级实施,使用激子电路作为量子逻辑门研究人员现在计划探索方法使这些合成采光系统更加出色,包括寻找更有效的颜料,这可能存在于北卡罗来纳州立大学最近宣布的Max Weaver染料库中,该库拥有98,000种独特的染料“我们还有很多方法可以做到这一点

可以想象改进这一点,“Schlau-Cohen说”我们有能力控制个别分子参数,探索如何在无序材料中有效传输能量的基本科学问题“Schlau-Cohen也是同伴出版物的高级作者这将发表在下周的物理化学快报上

自然材料论文的其他作者是麻省理工学院的博士后es Banal和Toru Kondo,他们领导了物理化学快报文章;前ASU博士后Alessio Andreoni; ASU博士后Sarthak Mandal; ASU高级研究员苏林教授;和ASU教授Neal Woodbury这项研究由美国国防部多学科大学研究计划,美国能源部通过麻省理工学院的激动中心,海军研究办公室,史密斯家庭研究生科学和工程奖学金以及自然科学资助

加拿大工程研究委员会出版物:ÉtienneBoulais等,“基于合成DNA的激子电路中的程序相干耦合”,Nature Materials,2017; doi:101038 / nmat5033资料来源:麻省理工学院新闻的安妮特拉夫顿