Wir alle gelernt über Photosynthese irgendwann in unserer Ausbildung. Wir wurden gelehrt, dass Pflanzen Verwenden Sie Sonnenlicht, um Energie für ihr Überleben zu synthetisieren, während Sie Sauerstoff für uns zum Atmen erzeugen.  

Dieser Prozess, der das Leben definiert, wie wir es kennen, ist einfach zu verstehen.

Aber wie wandeln Pflanzen Licht tatsächlich in Energie um?

Das war dank der Forscher bisher immer ein Rätsel Von der University of Sheffield in Großbritannien, die gerade haben Entriegelte die Geheimnisse Die Forschung ist wegweisend und ebnet den Weg für zukünftige Erfindungen, die auf der Übertragung von Energie durch Licht beruhen, einschließlich Solar- und Computertechnologie.

Das Forschungsteam der Universität wird von geleitet Professorin Julia A. Weinstein, ein Professor für physikalische Chemie, und Dr. Anthony JHM Meijer, ein Leser in der theoretischen Chemie.

Das Forschungspapier ist veröffentlicht In der Naturchemie.

Die Forschung

Photosynthese, in einfachen Worten, ist der Prozess, bei dem Pflanzen Sonnenlicht mit Chlorophyll aufnehmen und es mit Wasser, Kohlendioxid und Mineralien mischen, um Nahrung zu produzieren, die sie für Energie nutzen, und Sauerstoff, den sie ausatmen, damit wir atmen können im.

Die Photosynthese gibt Pflanzen somit die Möglichkeit, Energie zu erzeugen und zu speichern, wobei Elektronen übertragen werden. Dieser „Energie- und Ladungstransfer“ bildet auch die Grundlage für die Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Energie oder von elektrischer in chemische Energie.

Die Möglichkeit, den Elektronentransfer ein- oder auszuschalten, ist laut Weinstein nicht neu.

"Was unsere Forschung so aufregend macht, ist, dass wir über unser synthetisches Molekül den Weg eines Elektrons jetzt sehr spezifisch und kontrolliert steuern können", sagte Weinstein in einer Erklärung.

Weinstein bezieht sich auf ein neues "Gabel" -Molekül, mit dem die Forscher "das Ziel eines Elektrons präzise steuern können, wenn ein bestimmter Infrarotlichtimpuls angelegt wird".

"Bei der Entwicklung dieser 'Molekülgabel' haben wir jetzt die Möglichkeit, natürliche molekulare Prozesse wie die Photosynthese zu modellieren", sagte Weinstein in einer Erklärung.

„Wenn wir nachvollziehen können, wie Energie gespeichert und genutzt wird, haben wir die Basis, um aufregende neue molekulare Technologien für die Zukunft zu entwickeln.“

Die Forscher glauben, dass die Fähigkeit, Energie auf einem von mehreren Wegen über molekulare Gabeln zu leiten, viele mögliche Anwendungen hat.

"Von neuen Wegen, die von der Sonne kommende Energie einzufangen und zu speichern, bis hin zur Entwicklung neuer Formen der Computertechnologie, eröffnet diese Forschung einige aufregende neue Möglichkeiten", sagte Weinstein in einer Erklärung. Zu den Beispielen, die die Forscher zur Verfügung stellten, gehörten das Speichern und Abrufen von Informationen im Computer, bei denen die Molekulargabel verwendet werden könnte, um die Ladung "unter Verwendung von Rotlicht mit niedriger Energie" zu lenken.

Die Forschung wurde von der Ingenieur- und Physikalischer Wissenschaftsforschungsrat (EPSRC) und Wissenschaft und Technologie Einrichtungen Rat (STFC).  

Weitere Details der Forschung

Während die Photosynthese ein einfaches Konzept ist, ist die Forschung komplex. Um die Komplexität der Studie zu erfassen, führte das Universitätsnetzwerk (TUN) mit Weinstein und Meijer ein Q & A durch, um in eigenen Worten herauszufinden, was an ihrer Forschung beteiligt war.

Wie funktioniert die Energie- und Ladungstransfer-Photosynthese und jede solar-to-chemische oder elektro-chemische Energieumwandlung?

Wenn ein Photon auf ein Molekül trifft, kann es absorbiert werden und das Molekül wird in einen elektronisch angeregten Zustand höherer Energie versetzt. Dies bedeutet, dass sich die Elektronendichteverteilung im Molekül geändert hat - einige Regionen sind elektronenreicher und andere weniger elektronenreich.

Bei der Photosynthese verursacht diese Verschiebung der Elektronendichte eine „Ladungstrennung“ - Elektronen werden von einem Teil der Anordnung zum anderen befördert und hinterlassen eine positiv geladene Lücke, die normalerweise als Loch bezeichnet wird.

Tatsächlich wurde die Energie des absorbierten Photons für die Trennung einer "-" - und einer "+" - Ladung aufgewendet, und die Energie wird nun in diesem höherenergetischen, ladungsgetrennten Zustand gespeichert. Der Teil des Moleküls, der das Elektron verliert, heißt Donor, derjenige, der das Elektron aufnimmt - Akzeptor.

Normalerweise rekombinieren Elektronen und Löcher und es gibt keinen Nettoeffekt, wenn das Photon auf das Molekül trifft. Wenn man jedoch Elektron und Loch räumlich trennt, dh wenn man das Loch zu einem Ende des Moleküls und das Elektron zum anderen Ende bewegt, kann die Rekombination verlangsamt werden und diese Ladungen können lange genug bestehen bleiben, um verwendet zu werden - Entweder als Strom in der Photovoltaik geerntet oder mit nützlicher Chemie betrieben. Dies ist der Haupttreiber für die Photosynthese oder die Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Energie.

Im Falle der Photosynthese werden die Elektronen verwendet, um CO2 zu reduzieren und schließlich Glukose zu machen. Gleichzeitig werden die Löcher verwendet, um Wasser zu oxidieren und Sauerstoff freizusetzen. Das räumlich getrennte Elektron und Loch könnte auch direkt verwendet werden, da bewegte Elektronen natürlich Strom sind (so arbeiten Solarzellen in Kürze).

Das Elektron an die richtige Stelle zu bringen, um die Reduktion von CO2 in der Photosynthese durchzuführen, ist weniger einfach als es klingt, und es gibt Hinweise darauf, dass subtile Interaktionen (Quantenstörungen) zwischen den elektronischen Zuständen der verschiedenen Teile des Lichteingewinnungsproteins eine entscheidende Rolle spielen. Solche Interferenzen sind nicht unähnlich zu denen, die wir in diesem Papier verwendet haben, um das Ergebnis zu bekommen, das wir wollten.

Wie haben Sie die "Molekulargabel" geschaffen?

Die Idee der Molekülgabel stammt aus der Vielzahl elektronisch ähnlicher, wenn nicht identischer Wege in der Photosynthese. Wir wollten herausfinden, ob wir Ladungen in einem von vielen verfügbaren Pfaden in einem künstlichen System kanalisieren können. Aber wie können die beiden „Straßen“ identisch und doch voneinander getrennt werden?

Der Schlüssel hinter der Molekülgabel ist, dass die beiden Arme insgesamt die gleichen Elemente enthalten, aber unterschiedliche Kohlenstoffisotope für die Acetylideinheiten, die zwei Donoren mit einem Akzeptor verbinden. Die beiden Arme sind also chemisch gleich, schwingen jedoch mit unterschiedlichen Frequenzen. Das bedeutet, dass wir diese Schwingungen einzeln „anvisieren“ können, wobei ein Arm betroffen ist, ein anderer jedoch nicht. Dies war ein sehr schwieriges Stück Synthese.

Bitte erzählen Sie uns mehr über die spannenden Möglichkeiten der Forschung.

Während der Photosynthese inspiriert, ist dies Grundlagenforschung, die sich noch in direkte Anwendungen entwickelt. Allerdings ist dies zum ersten Mal dieser Effekt gezeigt worden und es gibt eine Reihe von Bereichen, wo dies wirklich spannend werden könnte.

Zuerst erlaubt unser Setup, die Ladung nach Belieben ein oder den anderen Arm zu lenken. Also, wir schalten effektiv den Weg des Loches zwischen einem der beiden möglichen Pfade, die es nehmen kann. Dies macht die Platin-Acetylid-Brücke Teil der komplexen effektiv ein Foto-Schalter (oder eine Reihe von Punkten, wenn Sie wollen, eine Eisenbahn-Analogie). (Fast) Umschaltung ist der Schlüssel zu all unserer modernen Technik, aber natürlich auch das Internet. Unser Molekül ist eine molekulare Version der Art von Schaltern, die allgegenwärtig sind, wenn sie Computer miteinander reden lassen und daher in diesem Bereich Möglichkeiten bieten können. Foto-Schalter haben großes Potenzial in der Informationsspeicherung und -abfrage.

Darüber hinaus verwenden wir ein energiearmes Infrarotlicht, das im sichtbaren Bereich <10% Energie eines Photons trägt, um den Reaktivitätspfad des Moleküls zu verändern. Das Infrarotlicht beeinflusst nichts anderes im Molekül, es zielt wirklich auf eine einzige Schwingung ab, auf die wir zielen möchten.

Insgesamt kann ein Quantum energiearmen Infrarotlichts dem Molekül „sagen“, wohin es Ladungen senden soll - „links oder rechts“. Dies könnte in Logikgattern, Informationsspeicherung, Reaktivität nach Belieben… alles, was einen „Schalter“ benötigt, verwendet werden Und stützt sich auf mehr als ein mögliches Ergebnis. Man kann dies als "molekulare Wahl" betrachten.

Zusammenfassung

Diese bahnbrechende Forschung sollte den Weg für technologische Fortschritte in vielen Sektoren ebnen.

„Dies ist ein wirklich aufregendes Forschungsgebiet, das von der Photosynthese inspiriert ist. Es nutzt die neuesten Fortschritte sowohl bei der modernen Technologie ultraschneller, abstimmbarer Kurzpulslaser als auch bei theoretischen Ansätzen zur Quantenmechanik in großen Systemen, um die Reaktivität nach Belieben zu steuern “, erklärten Weinstein und Meijer gegenüber TUN.

"Die Fähigkeit, lichtinduzierte Reaktivität, lichtinduzierte Aktion und Funktion zu steuern, ist immens aufregend, und wir denken, dass die Zukunft in der Nanotechnologie und Computertechnologie das Präfix" Foto "haben wird - wenn die Photokontrolle der Nanowelt startet."

Die Forscher schreiben ihren Erfolg der Zusammenarbeit mit anderen zu.

„Diese interdisziplinäre Arbeit wurde durch eine erstaunlich glückliche Kombination von äußerst talentierten Synthesechemikern, Laserspektroskopikern und Theoretikern von der Universität Sheffield und der Central Laser Facility des Rutherford Appleton Laboratory hervorgebracht - ein Satz, der besagt, dass die interdisziplinäre Forschung das ist Schlüssel !, ”sagten Weinstein und Meijer zu TUN.