Les chercheurs utilisent de nouvelles structures faites avecADNDes échafaudages pour créer des matériaux à énergie solaire qui imitent étroitement les structures photosynthétiques naturelles.
Les chercheurs ont montré que leur matériau synthétique peut absorber la lumière et transférer efficacement son énergie le long des voies contrôlées avec précision. Ce type de structure pourrait être incorporé dans des matériaux tels que le verre ou les textiles, leur permettant de récolter ou de contrôler autrement l'énergie entrante de la lumière du soleil, explique Mark Bathhe, professeur agrégé de génie biologique àAVEC.
«Il s'agit de la première démonstration d'une imitation purement synthétique d'un circuit de récolte de lumière naturelle qui se compose de groupes de colorants densément emballés qui sont précisément organisés spatialement à l'échelle nanométrique, comme le montrent les systèmes bactériens», dit Bathe. Un nanomètre est un milliardième de mètre, ou 1/10 000, l'épaisseur des cheveux humains.
Bathhe est l'un des auteurs principaux de la nouvelle étude, avec Alan Aspuru-Guzik, professeur de chimie et de biologie chimique à l'Université Harvard, et Hao Yan, professeur de chimie et de biochimie à l'Arizona State University. Auteurs principaux de l'article, qui apparaît dans le numéro du 13 novembre deMatériaux de la natureFair pour l'utilisation de l'ancien Postloc Eienne Postcoc de Mitter, de Harvard Glacis à l'étudiant Narlas revendiquant et au MIT Postcoo, et à la pression postdoctorale du MIT.
Capturer la lumière
Au cours des milliards d'années, les plantes et les bactéries photosynthétiques ont évolué des structures cellulaires efficaces pour la récolte de l'énergie du soleil. Ce processus nécessite de capturer des photons (paquets d'énergie lumineuse) et de les convertir en excitons - un type spécial de quasiparticule qui peut transporter de l'énergie. L'énergie de ces excitons est ensuite transmise à d'autres molécules dans un complexe de protéines et de pigments connus sous le nom de centre de réaction, et finalement utilisé par la plante pour construire des molécules de sucre.
Tandis que les scientifiques ont développé des techniques fiables pour transporter des électrons (commesemi-conducteurs) et les photons (fibre optique), trouver des moyens de contrôler les excitons se sont révélés plus difficiles.
Il y a quatre ans, Bathhe, Aspuru-Guzik et Yan ont commencé à travailler sur des structures synthétiques qui pourraient imiter les assemblages naturels de récolte de la lumière. Ces assemblages, généralement trouvés dans les organites cellulaires appelés chloroplastes, ont une structure complexe qui capture et transporte efficacement l'énergie solaire à l'échelle des nanomètres.
«Ce qui est vraiment incroyable dans la récolte de la lumière photosynthétique, c'est à quel point il répond bien aux besoins de l'organisme», explique Gabriela Schlau-Cohen, professeur adjoint de chimie du MIT qui est également auteur du journal. «Lorsque cela est nécessaire, chaque absorbéphotonpeut migrer dans le réseau de protéines qui entoure le centre de réaction, pour produire de l'électricité. »
Les chercheurs ont décidé d'imiter ces structures en attachant des pigments à récolte de lumière pour étudier les échafaudages en ADN. Au cours des dernières années, le laboratoire de Bathhe a conçu de nouvelles façons de programmer l'ADN pour plier des formes particulières, et l'année dernière Backe et ses collègues ont créé un nouvel outil de programmation informatique qui automatise le processus de conception d'échafaudages ADN de presque toutes les formes.
Pour cette étude, les chercheurs ont voulu utiliser des échafaudages d'ADN pour organiser spatialement des grappes de pigments densément emballées similaires à celles trouvées dans la nature. Le Boulais a trouvé un article de 1977 qui a montré qu'un pigment synthétique appelé pseudoisocyanine (PIC) agrége sur des séquences spécifiques d'ADN naturel pour former le type de structure que les chercheurs recherchaient, appelée agrégat J. Cependant, comme cette approche a utilisé l'ADN naturel, il n'y avait aucun moyen de contrôler l'espacement, la taille ou l'organisation spatiale 3D des grappes.
Veneziano a testé la capacité des chercheurs à s'imaginer ces agggates J en grappes discrètes avec des organisations 2D distinctes utilisant l'ADN synthétique, et le Boulais et Sawaya ont travaillé pour concevoir de façon des échafaudages ADN personnalisables et synthétiques qui organisent ces agrégats en circuits qui absorbent les photons et transportent les excitons résultant le long d'un trajet prédictable. En programmant des séquences d'ADN spécifiques, les chercheurs peuvent contrôler l'emplacement et la densité précis des grappes de molécules de colorant, qui se trouvent sur un échafaudage d'ADN rigide à double brin. Ils ont modélisé par calcul comment les facteurs tels que le nombre de molécules de colorant, leur orientation et les distances entre eux affecteraient l'efficacité des circuits résultants, analysant de nombreuses versions des circuits pour leur efficacité de transfert d'énergie.
«Les organismes photosynthétiques organisent avec précision leurs molécules de récolte de lumière à l'aide d'un échafaudage de protéines.Université de Princetonqui n'était pas impliqué dans l'étude.
Une partie de l'équipe ASU, dirigée par le co-auteur Su Lin, a effectué une série de mesures spectroscopiques pour démontrer que les structures d'ADN conçues ont produit les agggates J souhaités et pour caractériser leurs propriétés photophysiques. Schlau-Cohen, qui utilise des techniques de spectroscopie avancées pour analyser les systèmes de récolte de lumière, à la fois naturels et synthétiques, a montré que ces assemblages de pigments denses étaient capables de absorber efficacement l'énergie lumineuse et de le transporter le long des voies spécifiques.
«Nous avons démontré la capacité de contrôler les modèles de trafic à l'aide de colorants en J, et pas seulement dans quelle mesure les excitons peuvent voyager. C'est important car il offre une polyvalence dans la conception de ces circuits pour les matériaux fonctionnels», explique Baigne.
«La conception ascendante des systèmes d'excitonique a été un objectif ciblé de notre centre de recherche sur les frontières énergétiques (EFRC). Je suis heureux de voir un tremplin important vers la démonstration de contrôle ascendant du débit d'exciton», explique Aspuru-Guzik. Il ajoute que «des recherches multidisciplinaires qui couplent étroitement la synthèse, la théorie et la caractérisation étaient nécessaires pour arriver à ce point».
Nouveaux matériaux
Les chercheurs pensent que ces structures synthétiques pourraient être intégrées dans des matériaux 2D et 3D tels que le verre ou les textiles, ce qui donne à ces matériaux la capacité d'absorber la lumière du soleil et de les convertir en autres formes d'énergie telles que l'électricité, ou de stocker ou d'exploiter autrement l'énergie. Les structures pourraient également constituer une nouvelle base pour les ordinateurs quantiques, implémentés à laà l'échelle nanométrique, en utilisant des circuits excitoniques comme portes logiques quantiques.
Les chercheurs prévoient désormais d'explorer des moyens de rendre ces systèmes synthétiques de récolte de lumière encore mieux, notamment à la recherche de pigments plus efficaces, qui peuvent résider dans la bibliothèque de colorant Max Weaver récemment annoncée àUniversité d'État de Caroline du Nord, qui abrite 98 000 colorants uniques.
«Il y a encore beaucoup de façons d'imaginer l'améliorer», explique Schlau-Cohen. «Nous avons la capacité de contrôler les paramètres moléculaires individuels pour explorer les questions scientifiques fondamentales de la façon de transporter efficacement l'énergie dans un matériau désordonné.» Schlau-Cohen est également l'auteur principal d'une publication compagnon qui sera publiée dans leJournal of Physical Chemistry Lettersla semaine prochaine.
D'autres auteurs duMatériaux de la natureLe papier est le MIT postdocs James Banal et Toru Kondo, qui a dirigé leJournal of Physical Chemistry Letterspapier; l'ancien postdoc ASU Alessio Andreoni; ASU Postdoc Sarthak Mandal; Professeur de recherche principal de l'ASU Su Lin; et le professeur ASU Neal Woodbury.
La recherche a été financée par l'initiative de recherche universitaire multidisciplinaire du ministère américain de la Défense, le Département américain de l'Énergie par le Centre d'excitonique du MIT, le Bureau de la recherche navale, une bourse de sciences diplômées et d'ingénierie des diplômés de la famille Smith et le Conseil de recherche en sciences naturelles et en génie du Canada.
Référence: «Coupage programmé dans un circuit excitonique basé sur l'ADN» par Étienne Bouisan, Nicolas PD Sawalian, Rémi Venezian, Alessio Andreoni, James L. Banal, Toru K.Odak Mandal, Hao Ybury, Gabriela S. Aspuru-Guzik et Mark Bathe, 13 novembreMatériaux de la nature.
Deux: 10.1038 / nmat5033
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