新模型助力人工光合作用材料的设计

材料牛注：模拟光合作用储存太阳能的技术早在上世纪70年代初就进入了科学家的视线。几十年来，研究人员一直在尝试复制绿色植物分解水的方式。利用化学方式，科学家早已能够完成水的分解反应，但这些化学反应条件非常苛刻，温度很高，溶液具有腐蚀性很强的碱性，而且催化剂需要用到铂等稀有而昂贵的化合物。丹尼尔的设计就像光合作用一样，分解水的反应在室温下就可进行，溶液也没有腐蚀性，更重要的是催化剂非常便宜，可以很容易地得到氢气和氧气。

麻省理工学院的研究人员开发了一种新模型，可以帮助科学家设计人工光合作用材料。如上图所示，这种光合天线由几种色素和它们相连的蛋白质组成，负责收集光能。

植物和其他光合生物使用各种各样的色素吸收不同波长的光。 麻省理工学院的研究人员现在开发了一个理论模型，根据它们的结构来预测这些色素的聚集体吸收的光谱。根据研究人员介绍，新模型可以帮助指导科学家设计由有机材料制成能有效捕获光并传输光诱导激发的新型太阳能电池。在1月3日的Physical Review Letters中，这项研究的主要作者MIT博士后Aurelia Chenu解释，“理解自组装颜料上层结构与其电子、光学和传输性质之间的敏感的相互作用对于合成新材料以及有机基器件的设计和制备是非常必要的”。

所有植物和藻类以及某些的细菌进行的光合作用使得生物体可以利用来自阳光的能量来合成糖和淀粉。这个过程的关键是通过光合色素捕获光的单个光子，并随后将激发转移到反应中心（化学转化的起始点）。吸收蓝色和红色光的叶绿素是广为人知的例子，但此外还有很多其他色素，如吸收蓝色和绿色光的类胡萝卜素，以及其他专门捕获海洋深处稀缺的可用光的色素。这些色素作为结构单元可以以不同的方式排列以产生被称为光收集络合物或天线的结构，其由于色素组成和组装方式不同而吸收不同波长的光。

Chenu也是瑞士国家科学基金会的研究员，他说：“自然界已经掌握了这种艺术，从非常有限的几个构筑模块发展而来，光合光收获复合物的多样性令人印象深刻，它们具有高度的通用性和高效性。这些天线嵌入或附着在称为叶绿体的细胞结构的膜上。当色素捕获光的光子时，其一个电子被激发到更高的能级，并且该激发沿着网络传递最终导向色素附近的反应中心。从该中心，可用电荷进一步通过光合装置，最终通过一个化学反应循环将二氧化碳转化为糖。

Chenu和Jianshu Cao，一位是麻省理工学院化学教授和另一位是这篇论文的资深作者，他们想探讨不同颜料的组织如何决定每个天线的光学和电学性质。这并非易事，因为每种色素都被蛋白质包围，这样可以微调所发射的光子的波长。这些蛋白质还影响激发的转移，并且当它从一种色素流向下一种色素时会引起一些能量散失。

Chenu和Cao的新模型使用由不同色素分子及其周围蛋白质吸收的光的光谱的实验测量值。使用该信息作为输入值，该模型可以预测由任何聚集物吸收光的光谱，这取决于其包含的色素的类型。该模型还可以预测每个聚集体之间的能量传递速率。这种技术在物理学方面有悠久的历史，理论学家曾将其应用于无序固体、偶极液体和其他体系的研究。“本文将展示这种技术的新型扩展，以处理色素和蛋白质环境之间的耦合产生的动态波动，”Cao说。

该模型首次提出了天线结构与其光学、电学性质之间的系统联系。 “根据天线结构，科学家在设计吸光材料时，使用量子点或其他类型的光敏材料，可以使用该模型来帮助预测什么样的光将被吸收以及能量将如何流过材料”， Chenu说。

她说：“长期目标是制定人工光采集的设计原则。 “如果我们了解自然过程，那么我们可以推断出什么是理想的基础结构，如色素之间的耦合。研究人员正在研究将模型应用于被称为藻胆的光合天线（在大多数蓝细菌中发现的光捕获复合物），以及纳米结构如聚合物、薄膜和纳米管。

原文链接：New Model Could Help Scientists Design Materials for Artificial Photosynthesis.

文献地址： Construction of Multichromophoric Spectra from Monomer Data: Applications to Resonant Energy Transfer.

本文由材料人编辑部月亮提供素材，洪扬编译，点我加入材料人编辑部。

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