Alors que le monde lutte pour répondre à la demande croissante d'énergie, couplée à l'augmentation des niveaux de CO 2 dans l'atmosphère de la déforestation et de l'utilisation de combustibles fossiles, la photosynthèse dans la nature ne peut tout simplement pas suivre le cycle du carbone. Mais et si nous pouvions aider le cycle naturel du carbone en apprenant de la photosynthèse pour générer nos propres sources d'énergie qui ne génèrent pas de CO 2 ? La photosynthèse artificielle fait exactement cela, il exploite l'énergie du soleil pour générer du carburant de manière à minimiser les émissions de CO 2 production.

Dans un article récent publié dans le Journal de l'American Chemical Society ( JACS ), une équipe de chercheurs dirigée par Hao Yan, Yan Liu et Neal Woodbury de la School of Molecular Sciences and Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics de l'Arizona State University signalent des progrès significatifs dans l'optimisation des systèmes qui imitent la première étape de la photosynthèse, capter et exploiter l'énergie lumineuse du soleil.

Rappelant ce que nous avons appris en cours de biologie, la première étape de la photosynthèse dans une feuille de plante est la capture de l'énergie lumineuse par les molécules de chlorophylle. L'étape suivante consiste à transférer efficacement cette énergie lumineuse vers la partie du centre de réaction photosynthétique où se déroule la chimie alimentée par la lumière. Ce processus, appelé transfert d'énergie, se produit efficacement dans la photosynthèse naturelle dans le complexe d'antennes. Comme l'antenne d'une radio ou d'une télévision, le travail du complexe d'antenne photosynthétique est de rassembler l'énergie lumineuse absorbée et de la canaliser au bon endroit. Comment pouvons-nous construire nos propres "complexes d'antennes de transfert d'énergie", c'est à dire., des structures artificielles qui absorbent l'énergie lumineuse et la transfèrent à distance jusqu'à l'endroit où elle peut être utilisée ?

"La photosynthèse a maîtrisé l'art de collecter l'énergie lumineuse et de la déplacer sur des distances substantielles jusqu'au bon endroit pour que la chimie entraînée par la lumière ait lieu. Le problème avec les complexes naturels est qu'ils sont difficiles à reproduire du point de vue de la conception ; nous pouvons utiliser eux tels qu'ils sont, mais nous voulons créer des systèmes qui servent nos propres objectifs, " dit Woodbury. " En utilisant certains des mêmes trucs que la Nature, mais dans le contexte d'une structure d'ADN que nous pouvons concevoir précisément, nous surmontons cette limitation, et permettre la création de systèmes de récupération de lumière qui transfèrent efficacement l'énergie de la lumière là où nous le voulons. »

Le laboratoire de Yan a développé un moyen d'utiliser l'ADN pour auto-assembler des structures pouvant servir de modèles pour l'assemblage de complexes moléculaires avec un contrôle presque illimité sur la taille, forme et fonction. En utilisant des architectures d'ADN comme modèle, les chercheurs ont pu agréger des molécules de colorant dans des structures qui captent et transfèrent de l'énergie sur des dizaines de nanomètres avec une perte d'efficacité de <1% par nanomètre. De cette façon, les agrégats de colorants imitent la fonction du complexe d'antennes à base de chlorophylle dans la photosynthèse naturelle en transférant efficacement l'énergie lumineuse sur de longues distances depuis l'endroit où elle est absorbée et l'endroit où elle sera utilisée.

Pour approfondir l'étude des complexes biomimétiques de récolte de lumière basés sur des nanostructures colorant-ADN auto-assemblées, Yan, Woodbury et Lin ont reçu une subvention du ministère de l'Énergie (DOE). Dans des travaux antérieurs financés par le DOE, Yan et son équipe ont démontré l'utilité de l'ADN pour servir de modèle programmable pour l'agrégation de colorants. Pour s'appuyer sur ces découvertes, ils utiliseront les principes photoniques qui sous-tendent les complexes de récolte de lumière naturelle pour construire des structures programmables basées sur l'auto-assemblage de l'ADN, qui fournit la plate-forme flexible nécessaire à la conception et au développement de systèmes photoniques moléculaires complexes.

"C'est formidable de voir que l'ADN peut être programmé comme un modèle d'échafaudage pour imiter les antennes de collecte de lumière de la Nature pour transférer de l'énergie sur cette longue distance, " a déclaré Yan. " C'est une excellente démonstration des résultats de la recherche d'une équipe hautement interdisciplinaire. "

Les résultats potentiels de cette recherche pourraient révéler de nouvelles façons de capturer l'énergie et de la transférer sur de plus longues distances sans perte nette. À son tour, l'impact de cette recherche pourrait ouvrir la voie à la conception de systèmes de conversion d'énergie plus efficaces qui réduiront notre dépendance aux combustibles fossiles.

« J'ai été ravi de participer à cette recherche et de pouvoir m'appuyer sur des travaux à long terme remontant à des collaborations très fructueuses avec des scientifiques et des ingénieurs d'Eastman Kodak et de l'Université de Rochester, " a déclaré David G. Whitten de l'Université du Nouveau-Mexique, Département de génie chimique et biologique. "Cette recherche comprenait l'utilisation de leurs cyanines pour former des assemblages agrégés où se produit un transfert d'énergie à longue distance entre un agrégat de cyanine donneur et un accepteur."

Les travaux rapportés dans le Journal de l'American Chemical Society a été réalisée par les étudiants de l'ASU Xu Zhou et Sarthak Mandal, maintenant de l'Institut national de technologie de Tiruchirappalli, Inde, et Su Lin du Center for Innovations in Medicine du Biodesign Institute, et l'étudiant de Whitten, Jianzhong Yang, en collaboration avec Yan et Woodbury.