Des chercheurs de l'Université du Michigan ont mis au point un puissant microscope capable de cartographier la migration de l'énergie lumineuse dans les bactéries photosynthétiques sur des échelles de temps d'un quadrillionième de seconde.

Le microscope pourrait aider les chercheurs à développer des matériaux photovoltaïques organiques plus efficaces, un type de cellule solaire qui pourrait fournir une énergie moins chère que les cellules solaires à base de silicium.

Dans les plantes et les bactéries photosynthétiques, la lumière frappe la feuille ou les bactéries et un système de minuscules antennes récoltant la lumière la transporte à travers des protéines jusqu'à ce qu'on appelle un centre de réaction. Ici, la lumière est « piégée » et transformée en énergie métabolique pour les organismes.

Jennifer Ogilvie, professeur U-M de physique et de biophysique, et son équipe veulent capturer le mouvement de cette énergie lumineuse à travers des protéines dans une cellule, et l'équipe a fait un pas vers cet objectif en développant ce microscope. Leur étude a été publiée dans Communication Nature .

Ogilvie, l'étudiant diplômé Yassel Acosta et le boursier postdoctoral Vivek Tiwari ont travaillé ensemble pour développer le microscope, qui utilise une méthode appelée spectroscopie électronique bidimensionnelle pour générer des images de migration d'énergie au sein des protéines pendant la photosynthèse. Le microscope image une zone de la taille d'un cinquième d'une cellule sanguine humaine et peut capturer des événements qui prennent une période d'un quadrillionième de seconde.

La spectroscopie bidimensionnelle fonctionne en lisant les niveaux d'énergie dans un système de deux manières. D'abord, il lit la longueur d'onde de la lumière qui est absorbée dans un système photosynthétique. Puis, il lit la longueur d'onde de la lumière détectée dans le système, permettant à l'énergie d'être suivie lorsqu'elle circule dans l'organisme.

L'instrument combine cette méthode avec un microscope pour mesurer un signal provenant de volumes près d'un million de fois plus petits qu'auparavant. Les mesures précédentes ont représenté des échantillons moyennés sur des sections un million de fois plus grandes. La moyenne sur de grandes sections obscurcit les différentes façons dont l'énergie pourrait se déplacer dans le même système.

"Nous avons maintenant combiné ces deux techniques afin que nous puissions obtenir des processus très rapides ainsi que des informations très détaillées sur la façon dont ces molécules interagissent, " a déclaré Ogilvie. " Si je regarde une région nanoscopique de mon échantillon par rapport à une autre, la spectroscopie peut être très différente. Précédemment, je ne le savais pas, parce que je n'ai obtenu que la mesure moyenne. Je ne pouvais pas apprendre les différences, ce qui peut être important pour comprendre le fonctionnement du système."

En développant le microscope, Ogilvie et son équipe ont étudié des colonies de cellules bactériennes violettes photosynthétiques. Précédemment, les scientifiques se sont principalement penchés sur les parties purifiées de ces types de cellules. En regardant un système cellulaire intact, Ogilvie et son équipe ont pu observer comment les différents composants d'un système complet interagissaient.

L'équipe a également étudié des bactéries qui avaient été cultivées dans des conditions de forte luminosité, des conditions de faible luminosité et un mélange des deux. En suivant la lumière émise par les bactéries, le microscope leur a permis de voir comment la structure du niveau d'énergie et le flux d'énergie à travers le système changeaient en fonction des conditions d'éclairage de la bactérie.

De la même manière, ce microscope peut aider les scientifiques à comprendre le fonctionnement des matériaux photovoltaïques organiques, dit Ogilvie. Au lieu des complexes d'antennes de récolte de lumière trouvés dans les plantes et les bactéries, les matériaux photovoltaïques organiques possèdent ce que l'on appelle des molécules "donneuses" et des molécules "accepteuses". Lorsque la lumière traverse ces matériaux, la molécule donneuse envoie des électrons aux molécules acceptrices, générer de l'électricité.

"Nous pourrions trouver qu'il y a des régions où l'excitation ne produit pas de charge qui peut être récoltée, et puis nous pourrions trouver des régions où cela fonctionne vraiment bien, " a déclaré Ogilvie. " Si nous regardons les interactions entre ces composants, nous pourrions peut-être corréler la morphologie du matériau avec ce qui fonctionne bien et ce qui ne fonctionne pas."

Dans les organismes, ces zones se produisent parce qu'une zone de l'organisme peut ne pas recevoir autant de lumière qu'une autre zone, et est donc emballé avec des antennes de récolte de lumière et peu de centres de réaction. D'autres zones pourraient être inondées de lumière, et les bactéries peuvent avoir moins d'antennes, mais plus de centres de réaction. En matériel photovoltaïque, 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."