I ricercatori dell'Università del Michigan hanno sviluppato un potente microscopio in grado di mappare il modo in cui l'energia luminosa migra nei batteri fotosintetici su scale temporali di un quadrilionesimo di secondo.

Il microscopio potrebbe aiutare i ricercatori a sviluppare materiali fotovoltaici organici più efficienti, un tipo di cella solare che potrebbe fornire energia più economica rispetto alle celle solari a base di silicio.

Nelle piante fotosintetiche e nei batteri, la luce colpisce la foglia o i batteri e un sistema di minuscole antenne che raccolgono la luce la trasportano attraverso le proteine ​​fino a quello che viene chiamato un centro di reazione. Qui, la luce viene "intrappolata" e trasformata in energia metabolica per gli organismi.

Jennifer Ogilvie, professore di fisica e biofisica U-M, e il suo team vogliono catturare il movimento di questa energia luminosa attraverso le proteine ​​in una cellula, e il team ha compiuto un passo verso questo obiettivo nello sviluppo di questo microscopio. Il loro studio è stato pubblicato in Comunicazioni sulla natura .

Ogilvie, lo studente laureato Yassel Acosta e il borsista postdottorato Vivek Tiwari hanno lavorato insieme per sviluppare il microscopio, che utilizza un metodo chiamato spettroscopia elettronica bidimensionale per generare immagini della migrazione di energia all'interno delle proteine ​​durante la fotosintesi. Il microscopio visualizza un'area delle dimensioni di un quinto di un globulo umano e può catturare eventi che richiedono un periodo di un quadrilionesimo di secondo.

La spettroscopia bidimensionale funziona leggendo i livelli di energia all'interno di un sistema in due modi. Primo, legge la lunghezza d'onda della luce assorbita in un sistema fotosintetico. Quindi, legge la lunghezza d'onda della luce rilevata all'interno del sistema, permettendo all'energia di essere tracciata mentre scorre attraverso l'organismo.

Lo strumento combina questo metodo con un microscopio per misurare un segnale da volumi quasi un milione di volte più piccoli rispetto a prima. Le misurazioni precedenti hanno mostrato campioni in media su sezioni che erano un milione di volte più grandi. La media su grandi sezioni oscura i diversi modi in cui l'energia potrebbe muoversi all'interno dello stesso sistema.

"Ora abbiamo combinato entrambe queste tecniche in modo da poter ottenere processi davvero veloci e informazioni davvero dettagliate su come interagiscono queste molecole, " ha detto Ogilvie. "Se guardo una regione nanoscopica del mio campione rispetto a un'altra, la spettroscopia può avere un aspetto molto diverso. In precedenza, non lo sapevo, perché ho solo la misurazione media. Non ho potuto conoscere le differenze, che può essere importante per capire come funziona il sistema."

Nello sviluppo del microscopio, Ogilvie e il suo team hanno studiato colonie di cellule batteriche viola fotosintetiche. In precedenza, gli scienziati hanno principalmente esaminato le parti purificate di questi tipi di cellule. Osservando un sistema cellulare intatto, Ogilvie e il suo team hanno potuto osservare come interagiscono i diversi componenti di un sistema completo.

Il team ha anche studiato i batteri che erano stati coltivati ​​in condizioni di luce elevata, condizioni di scarsa illuminazione e una combinazione di entrambi. Tracciando la luce emessa dai batteri, il microscopio ha permesso loro di vedere come la struttura del livello energetico e il flusso di energia attraverso il sistema cambiassero a seconda delle condizioni di luce dei batteri.

Allo stesso modo, questo microscopio può aiutare gli scienziati a capire come funzionano i materiali fotovoltaici organici, dice Ogilvie. Invece dei complessi di antenne che raccolgono la luce presenti nelle piante e nei batteri, i materiali fotovoltaici organici hanno le cosiddette molecole "donatori" e molecole "accettori". Quando la luce viaggia attraverso questi materiali, la molecola donatrice invia elettroni alle molecole accettore, generazione di energia elettrica.

"Potremmo scoprire che ci sono regioni in cui l'eccitazione non produce una carica che può essere raccolta, e poi potremmo trovare regioni in cui funziona davvero bene, " ha detto Ogilvie. "Se guardiamo alle interazioni tra questi componenti, potremmo essere in grado di correlare la morfologia del materiale con ciò che funziona bene e ciò che non lo è".

Negli organismi, queste zone si verificano perché un'area dell'organismo potrebbe non ricevere la stessa quantità di luce di un'altra area, e quindi è pieno di antenne che raccolgono la luce e pochi centri di reazione. Altre aree potrebbero essere inondate di luce, e i batteri possono avere meno antenne, ma più centri di reazione. In materiale fotovoltaico, the distribution of donor and receptor molecules may change depending on the material's morphology. This could affect the material's efficiency in converting light into electricity.

"All of these materials have to have different components that do different things—components that will absorb the light, components that will take that the energy from the light and convert it to something that can be used, like electricity, " Ogilvie said. "It's a holy grail to be able to map in space and time the exact flow of energy through these systems."