Batteri di zolfo verde, le cui eccezionali capacità di raccolta della luce hanno ispirato il sistema artificiale analizzato dalla postdoc Dörthe Eisele e dai suoi collaboratori, domina questa sorgente termale allo Yosemite National Park e donagli il suo sorprendente colore verde.
Le aziende che producono celle solari commerciali sono felici se possono raggiungere il 20% di efficienza quando convertono la luce solare in elettricità; un miglioramento anche dell'1% è visto come un progresso importante. Ma la natura, che ha avuto miliardi di anni per mettere a punto la fotosintesi, possono fare molto meglio:microrganismi chiamati batteri solforati verdi, che vivono nelle profondità dell'oceano dove non c'è quasi nessuna luce disponibile, riescono a raccogliere il 98 percento dell'energia nella luce che li raggiunge.
Ora, i ricercatori guidati da un postdoc del MIT hanno analizzato un sistema artificiale che modella il metodo di cattura della luce utilizzato dai batteri delle profondità marine. Ulteriori progressi nella comprensione dei processi fondamentali di raccolta della luce possono produrre approcci completamente nuovi per catturare l'energia solare, dicono i ricercatori. I loro risultati sono stati riportati il 1 luglio sulla rivista Chimica della natura .
Il sistema artificiale, descritto in un precedente articolo del postdoc Dörthe M. Eisele del Research Laboratory of Electronics del MIT e collaboratori, consiste in un sistema autoassemblante di molecole di colorante che formano nanotubi a doppia parete perfettamente uniformi. Questi tubi - larghi solo circa 10 nanometri ma migliaia di volte più lunghi - sono di dimensioni simili, forma e funzione ai recettori naturali utilizzati dai batteri solforati verdi che raccolgono energia dalle minuscole quantità di luce solare che penetrano nelle profondità dell'oceano.
“È uno dei grandi segreti della natura, come raccogliere la luce in modo così efficiente, "dice Eisele. I suoi coautori includono Moungi G. Bawendi e il compianto Robert J. Silbey, entrambi professori di chimica del MIT, insieme ai collaboratori dell'Università Humboldt di Berlino, l'Università del Texas ad Austin e l'Università di Groningen nei Paesi Bassi.
Eisele afferma che è improbabile che questo particolare tipo di nanotubo trovi applicazioni pratiche. Piuttosto, lei dice, questi esperimenti sono stati progettati per studiare i principi di base che potrebbero poi essere utilizzati per trovare materiali ottimali per usi particolari. “Questo sistema è così interessante perché è un bellissimo sistema modello, "dice lei, per analizzare come tali strutture rispondono alla luce.
A differenza dei tipici sistemi automontanti in cui ogni struttura può essere leggermente diversa, questi tubi a doppia parete, fatto da un colorante a base di cianina, formare forme e dimensioni perfettamente uniformi.
Questo lo rende un sistema modello perfetto, Eisele spiega, perché sapere che tutti i nanotubi in una soluzione sono identici permette di studiarne le proprietà alla rinfusa, piuttosto che dover isolare la risposta di ogni singolo tubo.
Una domanda fondamentale che il team voleva affrontare era se i due cilindri concentrici dei tubi a doppia parete lavorassero insieme come un sistema integrato per catturare l'energia della luce, o se ogni cilindro agiva da solo.
Per rispondere a questa domanda, Eisele e il suo team hanno escogitato un modo per disattivare uno dei due cilindri ossidando le molecole della parete esterna. “La struttura tubolare è ancora intatta, ma uccide la risposta ottica della parete esterna, quindi ciò che resta è la risposta ottica della parete interna, "dice lei. "È un modo molto semplice ed elegante per isolare lo spettro della parete interna".
Confrontando le risposte ottiche quando entrambi i cilindri sono funzionanti e quando solo uno è in funzione, è possibile determinare quanta interazione sta avvenendo tra i due cilindri. “Quando osservi la dinamica della reazione redox, "Eisele dice, “vedi che questi due cilindri possono essere visti come due sistemi separati.”
La caratterizzazione di questa struttura artificiale semplificata potrebbe consentire ai ricercatori di costruire dispositivi per la raccolta della luce più efficienti. "La natura ha avuto milioni di anni per ottimizzare" il modo in cui gli organismi catturano l'energia, Eisele dice; capire come ha fatto ciò può portare a migliori sistemi creati dall'uomo.
"Non vogliamo migliorare l'efficienza delle celle solari che abbiamo ora, "dice lei. "Vogliamo imparare dalla natura come costruire dispositivi per la raccolta della luce completamente nuovi".
Gregory Scholes, il DJ LeRoy Distinguished Professor di Chimica presso l'Università di Toronto, chi non era coinvolto in questo lavoro, dice, "I ricercatori hanno utilizzato esperimenti squisiti per testare come interagiscono i componenti su scala nanometrica di questo sistema dopo la fotoeccitazione." Aggiunge che il lavoro "fornisce importanti spunti sulla progettazione di grandi gruppi di molecole per applicazioni nella "raccolta della luce".
La ricerca è stata sostenuta dalla Deutsche Forschungsgemeinschaft, l'Istituto di ricerca integrativa per le scienze di Berlino, la Fondazione Nazionale della Scienza, la Fondazione Alexander von Humboldt, il Department of Energy Center for Excitonica, l'Ufficio di ricerca dell'esercito e l'Agenzia per i progetti di ricerca avanzata della difesa.
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.
