Pesquisadores da Universidade de Michigan desenvolveram um microscópio poderoso que pode mapear como a energia da luz migra nas bactérias fotossintéticas em escalas de tempo de um quatrilionésimo de segundo.

O microscópio pode ajudar os pesquisadores a desenvolver materiais fotovoltaicos orgânicos mais eficientes, um tipo de célula solar que poderia fornecer energia mais barata do que as células solares à base de silício.

Em plantas fotossintéticas e bactérias, a luz atinge a folha ou bactéria e um sistema de minúsculas antenas coletoras de luz a transporta através das proteínas até o que é chamado de centro de reação. Aqui, a luz é "aprisionada" e transformada em energia metabólica para os organismos.

Jennifer Ogilvie, Professor de física e biofísica da U-M, e sua equipe quer capturar o movimento dessa energia luminosa através de proteínas em uma célula, e a equipe deu um passo em direção a esse objetivo ao desenvolver este microscópio. Seu estudo foi publicado em Nature Communications .

Ogilvie, o estudante de graduação Yassel Acosta e o colega de pós-doutorado Vivek Tiwari trabalharam juntos para desenvolver o microscópio, que usa um método chamado espectroscopia eletrônica bidimensional para gerar imagens de migração de energia dentro das proteínas durante a fotossíntese. O microscópio imagina uma área do tamanho de um quinto de uma célula sanguínea humana e pode capturar eventos que levam um período de um quatrilionésimo de segundo.

A espectroscopia bidimensional funciona lendo os níveis de energia dentro de um sistema de duas maneiras. Primeiro, ele lê o comprimento de onda da luz que é absorvida em um sistema fotossintético. Então, ele lê o comprimento de onda da luz detectada no sistema, permitindo que a energia seja rastreada conforme ela flui através do organismo.

O instrumento combina este método com um microscópio para medir um sinal de volumes quase um milhão de vezes menores do que antes. As medições anteriores representaram a média de amostras de seções que eram um milhão de vezes maiores. A média em grandes seções obscurece as diferentes maneiras pelas quais a energia pode estar se movendo dentro do mesmo sistema.

"Agora combinamos ambas as técnicas para que possamos obter processos realmente rápidos, bem como informações realmente detalhadas sobre como essas moléculas estão interagindo, "Ogilvie disse." Se eu olhar para uma região nanoscópica da minha amostra em comparação com outra, a espectroscopia pode ser muito diferente. Anteriormente, Eu nao sabia disso, porque eu só obtive a medição média. Eu não pude aprender sobre as diferenças, o que pode ser importante para entender como o sistema funciona. "

No desenvolvimento do microscópio, Ogilvie e sua equipe estudaram colônias de células bacterianas roxas fotossintéticas. Anteriormente, os cientistas analisaram principalmente as partes purificadas desses tipos de células. Ao olhar para um sistema celular intacto, Ogilvie e sua equipe puderam observar como os diferentes componentes de um sistema completo interagiam.

A equipe também estudou bactérias que cresceram em condições de alta luminosidade, condições de pouca luz e uma mistura de ambos. Ao rastrear a luz emitida pelas bactérias, o microscópio permitiu-lhes ver como a estrutura do nível de energia e o fluxo de energia através do sistema mudavam dependendo das condições de luz da bactéria.

De forma similar, este microscópio pode ajudar os cientistas a entender como funcionam os materiais fotovoltaicos orgânicos, Ogilvie diz. Em vez dos complexos de antenas de coleta de luz encontrados em plantas e bactérias, materiais fotovoltaicos orgânicos têm o que é chamado de moléculas "doadoras" e moléculas "aceitadoras". Quando a luz viaja através desses materiais, a molécula doadora envia elétrons para moléculas aceitadoras, gerando eletricidade.

"Podemos descobrir que há regiões onde a excitação não produz uma carga que pode ser colhida, e então podemos encontrar regiões onde funciona muito bem, "Ogilvie disse." Se olharmos para as interações entre esses componentes, podemos ser capazes de correlacionar a morfologia do material com o que está funcionando bem e o que não está. "

Em organismos, essas zonas ocorrem porque uma área do organismo pode não estar recebendo tanta luz quanto outra área, e, portanto, está repleto de antenas coletoras de luz e poucos centros de reação. Outras áreas podem ser 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."