Le piante e altri organismi fotosintetici utilizzano un'ampia varietà di pigmenti per assorbire diverse lunghezze d'onda della luce. I ricercatori del MIT hanno ora sviluppato un modello teorico per prevedere lo spettro della luce assorbita dagli aggregati di questi pigmenti, in base alla loro struttura.

Il nuovo modello potrebbe aiutare a guidare gli scienziati nella progettazione di nuovi tipi di celle solari realizzate con materiali organici che catturano in modo efficiente la luce e incanalano l'eccitazione indotta dalla luce, secondo i ricercatori.

"Comprendere l'interazione sensibile tra la sovrastruttura del pigmento autoassemblata e la sua elettronica, ottico, e proprietà di trasporto è altamente desiderabile per la sintesi di nuovi materiali e la progettazione e il funzionamento di dispositivi a base organica, "dice Aurelia Chenu, un postdoc del MIT e l'autore principale dello studio, che è apparso in Lettere di revisione fisica il 3 gennaio.

Fotosintesi, eseguita da tutte le piante e le alghe, così come alcuni tipi di batteri, consente agli organismi di sfruttare l'energia della luce solare per costruire zuccheri e amidi. La chiave di questo processo è la cattura di singoli fotoni di luce da parte di pigmenti fotosintetici, e il successivo trasferimento dell'eccitazione ai centri di reazione, il punto di partenza della conversione chimica. Clorofilla, che assorbe la luce blu e rossa, è l'esempio più noto, ma ce ne sono molti altri, come carotenoidi, che assorbono la luce blu e verde, così come altri specializzati per catturare la scarsa luce disponibile nelle profondità dell'oceano.

Questi pigmenti fungono da elementi costitutivi che possono essere disposti in modi diversi per creare strutture note come complessi che raccolgono la luce, o antenne, che assorbono diverse lunghezze d'onda della luce a seconda della composizione dei pigmenti e di come sono assemblati.

"La natura ha dominato quest'arte, evolvendosi da un numero molto limitato di elementi costitutivi un'impressionante diversità di complessi fotosintetici che raccolgono la luce, che sono altamente versatili ed efficienti, "dice Chenu, che è anche membro del Fondo nazionale svizzero per la scienza.

Queste antenne sono incorporate o attaccate a membrane all'interno di strutture cellulari chiamate cloroplasti. Quando un pigmento cattura un fotone di luce, uno dei suoi elettroni si eccita ad un livello energetico più alto, e quell'eccitazione viene trasmessa ai pigmenti vicini lungo una rete che alla fine conduce al centro di reazione. Da quel centro, la carica disponibile viaggia ulteriormente attraverso il macchinario fotosintetico per guidare infine la trasformazione dell'anidride carbonica in zucchero attraverso un ciclo di reazioni chimiche.

Chenu e Jianshu Cao, un professore di chimica del MIT e autore senior dell'articolo, voleva esplorare come l'organizzazione dei diversi pigmenti determina le proprietà ottiche ed elettriche di ciascuna antenna. Questo non è un processo semplice perché ogni pigmento è circondato da proteine ​​che regolano con precisione la lunghezza d'onda del fotone emesso. Queste proteine ​​influenzano anche il trasferimento dell'eccitazione e fanno sì che parte dell'energia si disperda mentre scorre da un pigmento all'altro.

Il nuovo modello di Chenu e Cao utilizza misurazioni sperimentali dello spettro della luce assorbita da diverse molecole di pigmento e dalle proteine ​​circostanti. Utilizzando queste informazioni come input, il modello può prevedere lo spettro di luce assorbito da qualsiasi aggregazione, a seconda dei tipi di pigmenti di cui è composto. Il modello può anche prevedere la velocità di trasferimento di energia tra ciascun aggregato.

Questa tecnica ha una lunga storia in fisica, e i teorici lo hanno precedentemente applicato allo studio dei solidi disordinati, liquidi dipolari, e altri sistemi.

"Questo documento rappresenta una nuova estensione di questa tecnica per trattare le fluttuazioni dinamiche derivanti dall'accoppiamento tra pigmenti e ambienti proteici, " dice Cao.

Il modello prevede, per la prima volta, un collegamento sistematico tra la struttura delle antenne e le loro proprietà ottiche ed elettriche. Scienziati che lavorano alla progettazione di materiali che assorbono la luce, utilizzando punti quantici o altri tipi di materiali sensibili alla luce, potrebbe utilizzare questo modello per prevedere quali tipi di luce verranno assorbiti e come l'energia fluirà attraverso i materiali, secondo la struttura dell'antenna, Chenu dice.

"L'obiettivo a lungo termine sarebbe quello di avere principi di progettazione per la raccolta della luce artificiale, " dice. "Se comprendiamo il processo naturale, allora possiamo dedurre qual è la struttura sottostante ideale, come l'accoppiamento tra i pigmenti."

I ricercatori stanno ora lavorando per applicare il modello a un'antenna fotosintetica nota come ficobilisoma, che è il complesso di raccolta della luce che si trova nella maggior parte dei cianobatteri, così come alle nanostrutture come polimeri, pellicole sottili, e nanotubi.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.