As plantas e outros organismos fotossintéticos usam uma grande variedade de pigmentos para absorver diferentes comprimentos de onda de luz. Os pesquisadores do MIT desenvolveram agora um modelo teórico para prever o espectro de luz absorvido por agregados desses pigmentos, com base em sua estrutura.

O novo modelo pode ajudar a guiar os cientistas no projeto de novos tipos de células solares feitas de materiais orgânicos que capturam a luz de forma eficiente e canalizam a excitação induzida pela luz. de acordo com os pesquisadores.

"Compreendendo a interação sensível entre a superestrutura do pigmento auto-montado e sua eletrônica, óptico, e as propriedades de transporte são altamente desejáveis ​​para a síntese de novos materiais e o projeto e operação de dispositivos de base orgânica, "diz Aurelia Chenu, um pós-doutorado do MIT e o principal autor do estudo, que apareceu em Cartas de revisão física em 3 de janeiro.

Fotossíntese, realizado por todas as plantas e algas, bem como alguns tipos de bactérias, permite que os organismos aproveitem a energia da luz solar para construir açúcares e amidos. A chave para este processo é a captura de fótons únicos de luz por pigmentos fotossintéticos, e a transferência subsequente da excitação para os centros de reação, o ponto de partida da conversão química. Clorofila, que absorve luz azul e vermelha, é o exemplo mais conhecido, mas existem muitos mais, como carotenóides, que absorvem luz azul e verde, bem como outros especializados em captar a escassa luz disponível nas profundezas do oceano.

Esses pigmentos servem como blocos de construção que podem ser organizados de diferentes maneiras para criar estruturas conhecidas como complexos de coleta de luz, ou antenas, que absorvem diferentes comprimentos de onda da luz, dependendo da composição dos pigmentos e de como eles são montados.

"A natureza dominou esta arte, evoluindo de um número muito limitado de blocos de construção para uma diversidade impressionante de complexos de colheita de luz fotossintética, que são altamente versáteis e eficientes, "diz Chenu, que também é membro da Swiss National Science Foundation.

Essas antenas estão embutidas ou presas a membranas dentro de estruturas celulares chamadas cloroplastos. Quando um pigmento captura um fóton de luz, um de seus elétrons fica excitado para um nível de energia mais alto, e essa excitação é passada para os pigmentos próximos ao longo de uma rede que eventualmente leva ao centro de reação. A partir desse centro, a carga disponível viaja ainda mais através da maquinaria fotossintética para, eventualmente, conduzir a transformação do dióxido de carbono em açúcar por meio de um ciclo de reações químicas.

Chenu e Jianshu Cao, professor de química do MIT e autor sênior do artigo, queria explorar como a organização de diferentes pigmentos determina as propriedades ópticas e elétricas de cada antena. Este não é um processo direto porque cada pigmento é cercado por proteínas que ajustam o comprimento de onda do fóton emitido. Essas proteínas também influenciam a transferência de excitação e fazem com que parte da energia se dissipe à medida que flui de um pigmento para o outro.

O novo modelo de Chenu e Cao usa medições experimentais do espectro da luz absorvida por diferentes moléculas de pigmento e suas proteínas circundantes. Usando essas informações como entrada, o modelo pode prever o espectro de luz absorvido por qualquer agregação, dependendo dos tipos de pigmentos que contém. O modelo também pode prever a taxa de transferência de energia entre cada agregado.

Esta técnica tem uma longa história na física, e os teóricos já o aplicaram ao estudo de sólidos desordenados, líquidos dipolares, e outros sistemas.

"Este artigo representa uma nova extensão desta técnica para tratar flutuações dinâmicas decorrentes do acoplamento entre pigmentos e ambientes proteicos, "Cao diz.

O modelo fornece, pela primeira vez, uma ligação sistemática entre a estrutura das antenas e suas propriedades ópticas e elétricas. Cientistas trabalhando no desenvolvimento de materiais que absorvem luz, usando pontos quânticos ou outros tipos de materiais sensíveis à luz, poderia usar este modelo para ajudar a prever quais tipos de luz serão absorvidos e como a energia fluirá através dos materiais, de acordo com a estrutura da antena, Chenu diz.

"O objetivo de longo prazo seria ter princípios de design para a captação de luz artificial, "ela diz." Se entendermos o processo natural, então podemos inferir qual é a estrutura subjacente ideal, como o acoplamento entre pigmentos. "

Os pesquisadores agora estão trabalhando na aplicação do modelo a uma antena fotossintética conhecida como ficobilissomo, que é o complexo de coleta de luz encontrado na maioria das cianobactérias, bem como para nanoestruturas, como polímeros, filmes finos, e nanotubos.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.