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模仿光合作用捕光效率的合成電路

哈佛大學,麻省理工學院及亞利桑那州立大學研究人員設計出一種新的合成結構,能夠以類似自然生成的光合細菌那樣的效率捕光。
  同時身為加拿大先進研究所阿茲瑞亞里全球學者(CIFAR Azrieli Global Scholar)及麻省理工學院研究員的研究報告共同作者西勞-柯文(Gabriela Schlau-Cohen)表示:「這個想法就是要發展一個激子電路或材料,引導被吸收的能量。這些系統的目標在吸收盡可能多的能量,且發揮最大的效率。」
  此一刊登於2017年11月號「自然材料」(Nature Materials)的研究發現,與加拿大先進研究所仿生太陽能計畫(Bio-inspired Solar Energy program)有高度相關。仿生太陽能計畫致力於找出自太陽採集能量的光合生物的奈米級機制如何運作,並創造能具有同樣功能,與效率近100%的人工設備。前述計畫資深研究員亞斯普魯-古茲克(Alán Aspuru-Guzik,哈佛)表示:「這是一篇與我們加拿大先進研究所仿生太陽能計畫有關的基礎論文」。古茲克的研究專注於模仿光合生物,其方式為再造光合生物分子結構並以自下而上的方式處理。
  古茲克、西勞-柯文及其他共同作者,透過將分子組織成一個超分子結構,令能量移位並在整個結構中共享,製造合成電路。西勞-柯文表示:「在自然系統中,能量以兩種不同的方式移動,一種是較不協調或跳動式的移動,及一種較協調或波浪式的移動。我們設計出一種能夠平衡這兩種移動方式的合成系統。」
  在大自然中,光合生物使用採集光的色素及反應中心,將光的能量從光子轉成化學能量。在過程中,光子被色素捕捉,激發出色素電子,並將它們轉成自己的能量,稱之為激子(excitons)。激子將此能量在色素分子中傳遞,直至傳到一個反應中心後,光的能量被轉成化學能量。
  在合成系統中控制激子的方向及流動是科學家們一直想解決的問題。為了使色素吸收光能,並攜帶激子,這些色素必須以一種特殊的奈米結構進行組合。為了解決這個問題,研究報告資深作者巴得(Mark Bathe,麻省理工學院MIT)設計了一個合成DNA「摺紙」(origami)鷹架,允許研究人員在類似光合細菌結構的合成色素結構化集群內組成一個名為偽異青藍(pseudoisocyanine)的合成色素。研究小組得以使用這種方式組成的色素來控制吸收的光子,並且按照既定的途徑輸送激子。
  此一結構設計完成後,西勞-柯文使用先進光譜儀測量其效率。西勞-柯文亦是另一篇刊於「物理化學快報」(The Journal of Physical Chemistry Letters),研究距離如何改變能源傳輸效能相關研究報告的首席作者。西勞-柯文表示:「如何令遠距能量傳輸變得有效率,是思考模仿自然系統時,一個重要的參數。」
  由下至上建立這樣的激子系統,一直是古茲克的長期目標。其在約10年前建立麻省理工學院哈佛激光中心(MIT-Harvard Center for Excitonics),由於激子在不同材料中的行為不同,該中心旨在創造能讓激子傳輸更快更遠的材料。本研究雖不是第一份以DNA為基礎的激子傳輸報告,但其探索顏料取向等過去從未考慮過的因素,並使用演算方法來決定能量傳輸最理想的結構及途徑。
  古茲克指出這項科技既昂貴且尚未臻準確,但此實驗提供了研究人員如何引導激子流動的知識,他並表示:「未來我們可以學到如何製造自動組裝的廉價『電路』」。研究人員的下一步是製造更為複雜,看來更為類似光合作用的奈米結構。
  西勞-柯文表示:「這研究證明了原理,我們需要更好的顏料、更好的DNA摺紙結構改善效率來優化它,而理論及實驗可解決這些問題。」


https://www.cifar.ca/assets/synthetic-circuit-photosynthesis/

更新日期 : 2018/03/28