Las plantas y otros organismos fotosintéticos utilizan una amplia variedad de pigmentos para absorber diferentes longitudes de onda de luz. Los investigadores del MIT han desarrollado un modelo teórico para predecir el espectro de luz absorbido por los agregados de estos pigmentos. basado en su estructura.

El nuevo modelo podría ayudar a guiar a los científicos en el diseño de nuevos tipos de células solares hechas de materiales orgánicos que capturan la luz de manera eficiente y canalizan la excitación inducida por la luz. según los investigadores.

"Comprender la interacción sensible entre la superestructura de pigmento autoensamblado y su electrónica, óptico, y las propiedades de transporte son muy deseables para la síntesis de nuevos materiales y el diseño y funcionamiento de dispositivos de base orgánica, "dice Aurelia Chenu, un postdoctorado del MIT y autor principal del estudio, que apareció en Cartas de revisión física el 3 de enero.

Fotosíntesis, realizado por todas las plantas y algas, así como algunos tipos de bacterias, permite que los organismos aprovechen la energía de la luz solar para producir azúcares y almidones. La clave de este proceso es la captura de fotones individuales de luz mediante pigmentos fotosintéticos, y la posterior transferencia de la excitación a los centros de reacción, el punto de partida de la conversión química. Clorofila, que absorbe la luz azul y roja, es el ejemplo más conocido, pero hay muchos mas, como los carotenoides, que absorben la luz azul y verde, así como otros especializados para captar la escasa luz disponible en las profundidades del océano.

Estos pigmentos sirven como bloques de construcción que se pueden organizar de diferentes maneras para crear estructuras conocidas como complejos de captación de luz. o antenas, que absorben diferentes longitudes de onda de luz según la composición de los pigmentos y cómo se ensamblan.

"La naturaleza ha dominado este arte, evolucionando a partir de un número muy limitado de bloques de construcción, una impresionante diversidad de complejos de captación de luz fotosintéticos, que son muy versátiles y eficientes, "dice Chenu, quien también es miembro de la Swiss National Science Foundation.

Estas antenas están incrustadas o unidas a membranas dentro de estructuras celulares llamadas cloroplastos. Cuando un pigmento captura un fotón de luz, uno de sus electrones se excita a un nivel de energía más alto, y esa excitación pasa a los pigmentos cercanos a lo largo de una red que finalmente conduce al centro de reacción. Desde ese centro, la carga disponible viaja más lejos a través de la maquinaria fotosintética para eventualmente impulsar la transformación del dióxido de carbono en azúcar a través de un ciclo de reacciones químicas.

Chenu y Jianshu Cao, profesor de química del MIT y autor principal del artículo, Quería explorar cómo la organización de diferentes pigmentos determina las propiedades ópticas y eléctricas de cada antena. Este no es un proceso sencillo porque cada pigmento está rodeado de proteínas que ajustan la longitud de onda del fotón emitido. Estas proteínas también influyen en la transferencia de excitación y hacen que parte de la energía se disipe a medida que fluye de un pigmento al siguiente.

El nuevo modelo de Chenu y Cao utiliza mediciones experimentales del espectro de luz absorbido por diferentes moléculas de pigmento y sus proteínas circundantes. Usando esta información como entrada, el modelo puede predecir el espectro de luz absorbido por cualquier agregación, dependiendo de los tipos de pigmentos que comprenda. El modelo también puede predecir la tasa de transferencia de energía entre cada agregado.

Esta técnica tiene una larga historia en física, y los teóricos lo han aplicado previamente al estudio de sólidos desordenados, líquidos dipolares, y otros sistemas.

"Este artículo representa una extensión novedosa de esta técnica para tratar las fluctuaciones dinámicas que surgen del acoplamiento entre pigmentos y entornos proteicos, "Dice Cao.

El modelo proporciona, por primera vez, un vínculo sistemático entre la estructura de las antenas y sus propiedades ópticas y eléctricas. Científicos que trabajan en el diseño de materiales que absorben la luz, utilizando puntos cuánticos u otros tipos de materiales sensibles a la luz, podría usar este modelo para ayudar a predecir qué tipo de luz se absorberá y cómo fluirá la energía a través de los materiales, según la estructura de la antena, Chenu dice.

"El objetivo a muy largo plazo sería tener principios de diseño para la captación de luz artificial, ", dice." Si entendemos el proceso natural, entonces podemos inferir cuál es la estructura subyacente ideal, como el acoplamiento entre pigmentos ".

Los investigadores ahora están trabajando en la aplicación del modelo a una antena fotosintética conocida como ficobilisoma, que es el complejo captador de luz que se encuentra en la mayoría de las cianobacterias, así como a nanoestructuras como polímeros, Peliculas delgadas, y nanotubos.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.