مدارهای مصنوعی می توانند انرژی نور را برآورده کنند

۲۳ آبان ۱۳۹۶ کافه

به همراه سازماندهی رنگدانه های روی یک داربست DNA، گروهی از محققان موسوم به MIT یک ماده نوردهی را طراحی کرده اند که دقیقا ساختار طبیعی آن را تقلید می کند ساختارهای فتوسنتزی رخ می دهد.

محققان نشان دادند که مواد مصنوعی آنها می توانند نور را جذب کنند و موثر انرژی خود را در مسیرهای دقیق کنترل شده انتقال دهند. مارک بته، هستادیار مهندسی بیولوژیک در MIT، می گوید: این نوع ساختار می تواند به مواد مانند شیشه یا پارچه متصل شود، و آنها را قادر به برداشت یا کنترل انرژی های دریافتی از نور خورشید می کند.

"این نخستین تظاهری از تقلید صرفا مصنوعی یک مدار نوردهی طبیعی هست که شامل خوشه های پرقدرت رنگی هست که به طور دقیق در مقیاس نانومتری مکانی هستند که در سیستم های به همراهکتری موجود هست." یک نانومتر یک میلیاردمتر از یک متر هست، یا ضخامت یک موی انسان ۱/۱۰ ۰۰۰٫

به همراهته یکی از نویسندگان ارشد تحقیق جدید همراه به همراه آلن اسپورو گوزیک هستاد شیمی و زیست شناسی شیمیایی در دانشگاه هاروارد و هائو یان، هستاد شیمی و بیوشیمی در دانشگاه ایالتی آریزونا هست. نویسندگان سرمقاله مقاله، که در شماره ۱۳۱۳ شماره ۱۹۴۵۹۰۰۶ Nature Materials ظاهر می شود، پست مد EITEN Boulais سابق MIT، دانشجوی کارشناسی ارشد دانشگاه هاروارد، نیکولاس سایایا، و MIM post-doc Rémi Veneziano هست.

گرفتن نور

بیش از میلیاردها سال هست که گیاهان و به همراهکتری های فتوسنتز ساختارهای سلولی کارآمد را برای برداشت انرژی از خورشید ایجاد کرده اند. این فرآیند مستلزم جذب فوتون ها (بسته های انرژی نور) و تبدیل آنها به اکسایتون ها هست – یک نوع خاص از نیمه متناوب که می تواند انرژی را حمل کند. انرژی از این ایزیتونها به مولکول های دیگر منتقل می شود و در یک مجموعه از پروتئین و رنگدانه ها به عنوان مرکز واکنش شناخته می شود و در نهایت توسط گیاه برای ساخت مولکول های شکر هستفاده می شود.

درحالیکه دانشمندان تکنیک های قابل اطمینان برای انتقال الکترون ها (مانند نیمه هادی ها) و فوتون ها (فیبر نوری) را توسعه داده اند، راه های کنترل اکسایتون ها چالش برانگیز تر شده هست.

چهار سال پیش، Bathe، Aspuru-Guzik و یان شروع به کار بر روی ساختارهای مصنوعی کردند که می توانست مجموعه های نور طبیعی برداشت را تقلید کند. این مجموعه ها، معمولا در اندام های سلولی کلرپلهست ها نامیده می شوند، دارای یک ساختار پیچیده هستند که به طور موثر جذب و انتقال انرژی خورشیدی را در مقیاس نانومتر

"گابریلا شلاو کوهن، هستادیار شیمی در دانشگاه MIT، که نویسنده این مقاله هست، می گوید:" واقعا چه چیزی در مورد برداشت فتوسنتزی درخشان هست که چگونه آن را به همراه نیازهای ارگانیک مطابقت می دهد. " "هنگامی که لازم هست، هر فوتون جذب می تواند از طریق شبکه پروتئین هایی که مرکز واکنش را احاطه کرده و به تولید برق متوسل می شوند، مهاجرت کند"

محققان برای تسخیر این ساختارها به همراه پیوستن رنگدانه های برداشت نور به مطالعه داربست های ساخته شده از DNA قرار گرفتند. در طی چند سال گذشته، آزمایشگاه Bathe روش های جدیدی برای برنامه ریزی DNA برای کشیدن اشکال خاص به ارمغان آورده هست و در سال گذشته Bathe و همکارانش یک ابزار جدید برنامه نویسی کامپیوتری را طراحی کرده اند که به طور خودکار فرآیند طراحی داربست های DNA تقریبه همراه هر شکل را طراحی می کند.

برای این مطالعه، محققان می خوهستند از داربست های DNA هستفاده کنند تا فضاهای خوشه ای پر از خواص رنگدانه های شبیه به آنچه در طبیعت یافت می شد، سازماندهی کنند. بولیز یک مقاله ۱۹۷۷ را پیدا کرد که نشان داد که یک رنگدانه مصنوعی به نام Pseudoisocyanin (PIC) در توالی خاصی از DNA طبیعی به شکل ساختاری از ساختار مورد نظر محققان، به نام J-aggregate می پردازد. به همراه این وجود، به این دلیل که این روش از DNA به طور طبیعی هستفاده می کرد، هیچ راهی برای کنترل فاصله، اندازه یا سه بعدی ساختار فضایی خوشه ها وجود نداشت.

ونیزی توانایی محققان را برای ساخت این سازه های J به خوشه های گسسته به همراه سازمان های متمایز ۲-D به همراه هستفاده از DNA های مصنوعی تست کرد و Boulais و Sawaya برای طراحی محاسبه همراهتی ساختارهای قابل تنظیم و DNA مصنوعی را طراحی کردند که این ترکیبه همراهت را به مدارهایی که فوتون را جذب می کنند، و تحرکات حاصل را در مسیر قابل پیش بینی حمل می کند. محققان به همراه برنامه ریزی توالی های DNA خاص، می توانند مکان دقیق و تراکم خوشه های مولکول های رنگی را که روی یک داربست DNA دوجداره سفت و سخت نشسته اند کنترل کنند. آنها به صورت محاسبه همراهتی مدل سازی کردند که چگونه عوامل مانند تعداد مولکول های رنگی، جهت گیری آنها و فاصله بین آنها بر کارایی مدارهای نتیجه می شود، تجزیه و تحلیل بسیاری از مدارهای مجدد برای کارایی انتقال انرژی آنها.

"ارگانیزم های فتوسنتز، مولکول های نوردهی خود را دقیقا به همراه هستفاده از یک داربست پروتئین سازماندهی می کنند. تا کنون، این نوع کنترل ساختاری در سیستم های مصنوعی دشوار هست. به نظر می رسد اریگامی DNA، وسیله ای برای تقلید از بسیاری از اصول فتوسنتزی خواص پیچیده هست، "می گوید: گرگوری شوولز، هستاد شیمی در دانشگاه پرینستون که در این مطالعه دخیل نبود.

بخشی از تیم ASU، به رهبری همکاری نویسنده Su Lin، مجموعه ای از اندازه گیری های طیفی را انجام داد تا نشان دهد که ساختارهای DNA طراحی شده J-aggregates مورد نظر را تولید کرده و خواص فتوفیزیکی آنها را مشخص می کنند. Schlau-Cohen، که از تکنیک های پیشرفته اسپکتروسکوپی برای تجزیه و تحلیل سیستم های برداشت نور، هر دو طبیعی و مصنوعی هستفاده می کند، نشان می دهد که این مجموعه های رنگی ضعیف قادر به جذب انرژی نور و انتقال آن در مسیر های خاص می به همراهشند.

"ما توانایی کنترل الگوهای ترافیکی را به همراه هستفاده از رنگهای J-aggregated نشان دادیم، نه اینکه تا چه حد اکسیتونها میتوانند سفر کنند. این مهم هست، زیرا در طراحی چنین مدارهایی برای مواد کاربردی ارائه می دهد، "Bathe می گوید.

"طراحی پایین سیستم های ایکیتونیک هدف متمرکز مرکز تحقیقات مرزی انرژی (EFRC) بوده هست. آسپورو-گوزیک می گوید: "من خوشحالم که یک سنگ قدم مهمی در جهت نشان دادن کنترل پایین به به همراهلا جریان اکسیدون وجود دارد." او اضافه می کند که "پژوهش های چند رشته ای که سنتز، نظریه و تعریف دقیق زوج ها را به شدت متصل می کند، برای رسیدن به این نقطه مورد نیاز هست"

مواد جدید

محققان بر این به همراهورند که این ساختارهای مصنوعی می توانند به مواد ۲ و ۳ و D مانند شیشه یا پارچه متصل شوند و این مواد را قادر به جذب نور خورشید و تبدیل آن به دیگر اشکال انرژی مانند برق و یا در غیر اینصورت ذخیره یا هستفاده از انرژی. این ساختارها همچنین ممکن هست مبنای جدیدی برای رایانه های کوانتومی، که در زوایای نانو کاربرد دارند، به همراه هستفاده از مدارهای مجازی به عنوان دروازه های منطق کوانتومی، تشکیل دهند.

محققان در حال برنامه ریزی برای کشف راه هایی برای ساخت این سیستم های برداشت نازک مصنوعی حتی بهتر، از جمله جستجوی رنگدانه های کارآمدتری هستند که ممکن هست در کتابخانه ماکس ویور دیه در دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی، که ۹۸۰۰۰ رنگ منحصر به فرد

"Schlau-Cohen می گوید:" هنوز راه های زیادی وجود دارد که می توانیم تصور کنیم این بهبود را داشته به همراهشیم. " "ما توانایی کنترل مولفه های مولکولی فردی را برای کشف سوالات علمی پایه ای از چگونگی انتقال انرژی به صورت موثر در یک ماده ناسازگار داریم." Schlau-Cohen همچنین نویسنده ارشد انتشار همراه هست که در منتشر خواهد شد. مجله فیزیک شیمی نامه هفته بعد

نویسندگان دیگر مواد طبیعت مقاله MIT postdocs جیمز بنال و Toru Kondo، که منجر مجله شیمی فیزیک نامه مقاله؛ سابق ASU postdoc آلسیو آندرونی؛ ASU postdoc Sarthak Mandal؛ ASU Senior Research Professor Su Lin؛ و ASU پروفسور نیل وودبوری

این تحقیق توسط موسسه تحقیقات دانشگاه چندرسانه ای وزارت دفاع ایالات متحده، وزارت انرژی ایالات متحده از طریق مرکز ایزوتونیک MIT، دفتر تحقیقات دریایی، دانشجوی علوم و مهندسی تحصیلات تکمیلی خانواده اسمیت و علوم طبیعی و مهندسی شورای پژوهشی کانادا.

دانلود آهنگ مسعود صادقلو ما به هم میایم