Tutti abbiamo appreso della fotosintesi ad un certo punto della nostra istruzione. Ci hanno insegnato quelle piante Utilizzare la luce solare per sintetizzare l'energia per la loro sopravvivenza creando ossigeno per respirare.  

Questo processo, che definisce la vita come lo conosciamo, è semplice da comprendere.

Ma in che modo le piante convertono la luce in energia?

Questo è sempre stato un mistero fino ad ora, grazie ai ricercatori Dall'Università di Sheffield nel Regno Unito che hanno appena Sbloccò i segreti Della fotosintesi e ha utilizzato con successo la meccanica sottostante per "trasferire direttamente l'energia attraverso la luce a livello molecolare". La ricerca è innovativa e apre la strada per le future invenzioni che si basano sul trasferimento di energia attraverso la luce, compresa la tecnologia solare e informatica.

Il team di ricerca dell'università è guidato da Il professor Julia A. Weinstein, un professore di chimica fisica, e Il dottor Anthony JHM Meijer, un lettore di chimica teorica.

Il documento di ricerca è pubblicato Nella chimica della natura.

La ricerca

La fotosintesi, in termini semplici, è il processo mediante il quale le piante catturano la luce del sole, usando la clorofilla e la mescolano con acqua, anidride carbonica e minerali per produrre cibo, che usano per energia e ossigeno, che espirano per respirare in.

La fotosintesi fornisce quindi alle piante la capacità di creare e immagazzinare energia, che comporta il trasferimento di elettroni. Questo "trasferimento di energia e di carica" ​​costituisce anche la base per la conversione dell'energia solare in energia chimica o di energia elettrica-chimica.

La capacità di "attivare o disattivare il trasferimento di elettroni" non è nuova, secondo Weinstein.

"Ciò che rende la nostra ricerca così eccitante è che, attraverso la nostra molecola sintetica, possiamo ora dirigere il percorso di un elettrone in un modo molto specifico e controllato", ha detto Weinstein in una dichiarazione.

Weinstein fa riferimento a una nuova molecola "fork" utilizzata dai ricercatori, che "può dirigere la destinazione di un elettrone in modo preciso quando viene applicato un particolare impulso di luce a infrarossi".

"Nel creare questa 'forcella molecolare', ora abbiamo la capacità di modellare processi molecolari naturali, come la fotosintesi", ha detto Weinstein in una nota.

"Se riusciamo a replicare come l'energia viene immagazzinata e utilizzata, allora abbiamo la base per sviluppare nuove e interessanti tecnologie molecolari per il futuro."

I ricercatori ritengono che la possibilità di dirigere l'energia lungo uno dei numerosi percorsi attraverso le forcelle molecolari abbia molte potenziali applicazioni.

"Dai nuovi modi di catturare e immagazzinare l'energia che ci viene dal Sole [sic], allo sviluppo di nuove forme di tecnologia informatica, questa ricerca apre nuove interessanti opportunità", ha affermato Weinstein in una nota. Gli esempi forniti dai ricercatori hanno incluso l'archiviazione e il recupero delle informazioni nel calcolo, in cui la forcella molecolare potrebbe essere utilizzata per dirigere la carica, "utilizzando una luce rossa a bassa energia".

La ricerca è stata finanziata dalla Ingegneria e Scienze Fisiche (EPSRC) ed Consiglio di Scienza e Tecnologia (STFC).  

Ulteriori dettagli della ricerca

Mentre la fotosintesi è un concetto semplice, la ricerca è complessa. Nel tentativo di catturare la complessità dello studio, The University Network (TUN) ha organizzato una sessione di domande e risposte con Weinstein e Meijer per scoprire, con le loro stesse parole, cosa era coinvolto nella loro ricerca.

Come trasferisce l'energia e il trasferimento di carica la fotosintesi e qualsiasi conversione da energia solare-chimica o elettro-chimica?

Quando un fotone colpisce una molecola, può essere assorbito e la molecola diventa in uno stato energetico "eccitato elettronicamente". Significa che la distribuzione di densità di elettroni nella molecola è cambiata - alcune regioni diventano più ricche di elettroni e meno ricchi di elettroni.

Nella fotosintesi, questo spostamento della densità di elettroni sta causando "separazione di carica" ​​- l'elettrone viene promosso da una parte dell'assemblea all'altro, lasciando dietro a un posto di lavoro + caricato, che viene solitamente chiamato un foro.

In effetti, l'energia del fotone assorbito è stato speso per separare una carica "-" e "+", e l'energia è ora immagazzinata in questo stato più alto dell'energia, separato dalla carica. La parte della molecola che perde l'elettrone è chiamata donatore e quella che prende l'elettrone - un accettore.

Normalmente, l'elettrone e il foro ricombinano e non esiste alcun effetto netto del fotone che colpisce la molecola. Tuttavia, se uno spazialmente separa l'elettrone e il foro, vale a dire se uno sposta il foro ad una estremità della molecola e l'elettrone all'altra estremità, allora la ricombinazione può essere rallentata e queste cariche possono persistere per abbastanza tempo da utilizzare - raccolti come elettricità nel fotovoltaico, o guidare una qualche utile chimica. Questo è il driver chiave per la fotosintesi o qualsiasi conversione di energia solare-elettrica-chimica.

Nel caso della fotosintesi, gli elettroni vengono utilizzati per ridurre CO2 e, in ultima analisi, rendere il glucosio. Allo stesso tempo, i fori vengono usati per ossidare l'acqua e rilasciare l'ossigeno. L'elettrone e il foro spazialmente separati possono anche essere usati direttamente, in quanto gli elettroni in movimento sono naturalmente elettricità (cioè i pannelli solari lavorano in poche parole).

Ottenere l'elettrone al posto giusto per eseguire la riduzione di CO2 nella fotosintesi è meno facile di quanto sembri e ci sono indicazioni che le interazioni sottili (interferenze quantiche) tra gli stati elettronici di diverse parti della proteina di raccolta leggera svolgono un ruolo cruciale. Tali interferenze non sono dissimili a quelle usate in questo documento per ottenere il risultato che volevamo.

Come hai creato la "forcella molecolare"?

L'idea della forcella molecolare proviene dalla moltitudine di percorsi elettronici simili, se non identici, nella fotosintesi. Volevamo vedere se potessimo caricare le spese in uno dei molti percorsi disponibili in un sistema artificiale. Ma come fare le due "strade" identiche ma distinte?

La chiave dietro la forcella molecolare è che i due bracci contengono gli stessi elementi in generale, ma differenti isotopi di carbonio per le unità di acetilide, che ponono due donatori ad un accettore. Così, le due braccia sono chimicamente le stesse, ma vibrano con frequenze diverse. Ciò significa che possiamo "individuare" queste vibrazioni individualmente, colpendo un braccio ma non un altro. Questo ha coinvolto un pezzo davvero sincero di sintesi.

Vi preghiamo di spiegarci di più sulle opportunità emozionanti aperte dalla tua ricerca.

Mentre ispirato dalla fotosintesi, questa è una ricerca fondamentale, che deve ancora essere evoluta in applicazioni dirette. Tuttavia, questa è la prima volta che questo effetto è stato dimostrato e ci sono un certo numero di settori in cui questo potrebbe diventare davvero eccitante.

Innanzitutto, la nostra configurazione consente di condurre le spese a uno o all'altro braccio, a piacimento. Quindi, stiamo effettivamente commutando il percorso del buco tra uno dei due percorsi possibili che può assumere. Ciò rende la parte del complesso in platino-acetilide in modo efficace un interruttore foto (o un set di punti, se si desidera utilizzare un'analogia ferroviaria). (Veloce) è fondamentale per tutte le nostre moderne tecnologie, ma naturalmente su Internet in particolare. La nostra molecola è una versione molecolare del tipo di interruttori, che sono onnipresenti nel permettere ai computer di parlare l'uno con l'altro e quindi potrebbero offrire opportunità in questo settore. Gli interruttori foto hanno un grande potenziale nella memorizzazione e nel recupero di informazioni.

Inoltre, utilizziamo una luce infrarossa a bassa energia - che trasporta <10% di energia di un fotone nel campo visibile - per alterare il percorso di reattività intrapreso dalla molecola. La luce infrarossa non influisce su nient'altro nella molecola, sta davvero mirando, in particolare, all'unica vibrazione che vogliamo colpire.

In generale, un quantum di luce a infrarossi a bassa energia può "dire" alla molecola dove inviare cariche - "a sinistra oa destra". Potrebbe essere utilizzato nelle porte logiche, nella memorizzazione di informazioni, nella reattività a volontà ... tutto ciò che richiede un "interruttore "E si basa su più di un risultato potenziale. Si può vedere come "scelta molecolare".

Conclusione

Questa ricerca pionieristica dovrebbe aprire la strada ai progressi tecnologici in molti settori.

"Questa è una zona di ricerca davvero entusiasmante ispirata alla fotosintesi; utilizza gli ultimi progressi della moderna tecnologia di laser ultraveloci, sintonizzabili, a impulsi brevi e approcci teorici alla meccanica quantistica in sistemi di grandi dimensioni, nel tentativo di dirigere la reattività a proprio piacimento ", hanno detto a TUN Weinstein e Meijer.

"La capacità di controllare la reattività indotta dalla luce, l'azione e la funzione indotte dalla luce, è immensamente eccitante, e pensiamo che molto del futuro nella nanotecnologia e nella tecnologia informatica avrà il prefisso 'foto' - quando il controllo fotografico del nanomondo decollerà".

I ricercatori attribuiscono il loro successo alla loro collaborazione con gli altri.

"Questo lavoro interdisciplinare è stato realizzato da una combinazione incredibilmente fortunata di chimici sintetici di grande talento, spettroscopisti laser e teorici, dell'Università di Sheffield e Central Laser Facility del Rutherford Appleton Laboratory - una frase secondo cui la ricerca interdisciplinare è la chiave !, "Weinstein e Meijer hanno detto a TUN.