Investigadores de la Universidad de Michigan han desarrollado un poderoso microscopio que puede mapear cómo la energía de la luz migra en las bacterias fotosintéticas en escalas de tiempo de una cuadrillonésima parte de un segundo.

El microscopio podría ayudar a los investigadores a desarrollar materiales fotovoltaicos orgánicos más eficientes, un tipo de celda solar que podría proporcionar energía más barata que las celdas solares basadas en silicio.

En plantas y bacterias fotosintéticas, la luz golpea la hoja o las bacterias y un sistema de pequeñas antenas recolectoras de luz la transporta a través de las proteínas hasta lo que se llama un centro de reacción. Aquí, la luz es "atrapada" y convertida en energía metabólica para los organismos.

Jennifer Ogilvie, Profesor U-M de física y biofísica, y su equipo quieren capturar el movimiento de esta energía luminosa a través de proteínas en una célula, y el equipo ha dado un paso hacia ese objetivo al desarrollar este microscopio. Su estudio ha sido publicado en Comunicaciones de la naturaleza .

Ogilvie, el estudiante de posgrado Yassel Acosta y el becario postdoctoral Vivek Tiwari trabajaron juntos para desarrollar el microscopio, que utiliza un método llamado espectroscopia electrónica bidimensional para generar imágenes de la migración de energía dentro de las proteínas durante la fotosíntesis. El microscopio toma imágenes de un área del tamaño de una quinta parte de una célula sanguínea humana y puede capturar eventos que toman un período de una cuadrillonésima parte de un segundo.

La espectroscopia bidimensional funciona leyendo los niveles de energía dentro de un sistema de dos formas. Primero, lee la longitud de onda de la luz que se absorbe en un sistema fotosintético. Luego, lee la longitud de onda de la luz detectada dentro del sistema, permitiendo que la energía sea rastreada a medida que fluye a través del organismo.

El instrumento combina este método con un microscopio para medir una señal de volúmenes casi un millón de veces más pequeños que antes. Las muestras obtenidas con imágenes de mediciones anteriores promediaron secciones que eran un millón de veces más grandes. El promedio de secciones grandes oscurece las diferentes formas en que la energía podría moverse dentro del mismo sistema.

"Ahora hemos combinado ambas técnicas para que podamos obtener procesos realmente rápidos, así como información realmente detallada sobre cómo interactúan estas moléculas". ", Dijo Ogilvie." Si miro una región nanoscópica de mi muestra frente a otra, la espectroscopia puede verse muy diferente. Previamente, Yo no sabia eso porque solo obtuve la medida promedio. No pude aprender sobre las diferencias lo que puede ser importante para comprender cómo funciona el sistema ".

Al desarrollar el microscopio, Ogilvie y su equipo estudiaron colonias de células bacterianas púrpuras fotosintéticas. Previamente, Los científicos han examinado principalmente partes purificadas de este tipo de células. Al observar un sistema celular intacto, Ogilvie y su equipo pudieron observar cómo interactuaban los diferentes componentes de un sistema completo.

El equipo también estudió bacterias que se habían cultivado en condiciones de mucha luz, condiciones de poca luz y una mezcla de ambas. Al rastrear la luz emitida por las bacterias, el microscopio les permitió ver cómo la estructura del nivel de energía y el flujo de energía a través del sistema cambiaban dependiendo de las condiciones de luz de las bacterias.

Similar, este microscopio puede ayudar a los científicos a comprender cómo funcionan los materiales fotovoltaicos orgánicos, Dice Ogilvie. En lugar de los complejos de antenas recolectoras de luz que se encuentran en plantas y bacterias, Los materiales fotovoltaicos orgánicos tienen lo que se llama moléculas "donantes" y moléculas "aceptoras". Cuando la luz viaja a través de estos materiales, la molécula donante envía electrones a las moléculas aceptoras, generar electricidad.

"Podríamos encontrar que hay regiones donde la excitación no produce una carga que pueda recolectarse, y luego podríamos encontrar regiones donde funcione realmente bien, ", Dijo Ogilvie." Si observamos las interacciones entre estos componentes, es posible que podamos correlacionar la morfología del material con lo que funciona bien y lo que no ".

En organismos, estas zonas ocurren porque un área del organismo podría no estar recibiendo tanta luz como otra área, y por lo tanto está repleto de antenas recolectoras de luz y pocos centros de reacción. Otras áreas pueden estar inundadas de luz, and bacteria may have fewer antennae—but more reaction centers. In photovoltaic material, 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."