Les plantes et autres organismes photosynthétiques utilisent une grande variété de pigments pour absorber différentes longueurs d'onde de la lumière. Les chercheurs du MIT ont maintenant développé un modèle théorique pour prédire le spectre de la lumière absorbée par les agrégats de ces pigments, en fonction de leur structure.

Le nouveau modèle pourrait aider à guider les scientifiques dans la conception de nouveaux types de cellules solaires faites de matériaux organiques qui captent efficacement la lumière et canalisent l'excitation induite par la lumière, selon les chercheurs.

"Comprendre l'interaction sensible entre la superstructure pigmentaire auto-assemblée et son électronique, optique, et les propriétés de transport est hautement souhaitable pour la synthèse de nouveaux matériaux et la conception et le fonctionnement de dispositifs à base organique, " dit Aurélia Chenu, un post-doctorant du MIT et l'auteur principal de l'étude, qui est apparu dans Lettres d'examen physique le 3 janvier.

Photosynthèse, réalisée par toutes les plantes et algues, ainsi que certains types de bactéries, permet aux organismes d'exploiter l'énergie de la lumière du soleil pour fabriquer des sucres et des amidons. La clé de ce processus est la capture de photons uniques de lumière par des pigments photosynthétiques, et le transfert ultérieur de l'excitation aux centres de réaction, le point de départ de la conversion chimique. Chlorophylle, qui absorbe la lumière bleue et rouge, est l'exemple le plus connu, mais il y en a beaucoup plus, comme les caroténoïdes, qui absorbent la lumière bleue et verte, ainsi que d'autres spécialisés pour capturer la lumière rare disponible au fond de l'océan.

Ces pigments servent de blocs de construction qui peuvent être agencés de différentes manières pour créer des structures appelées complexes de récolte de lumière, ou des antennes, qui absorbent différentes longueurs d'onde de la lumière en fonction de la composition des pigments et de leur assemblage.

"La nature a maîtrisé cet art, évoluant à partir d'un nombre très limité de briques élémentaires d'une impressionnante diversité de complexes photo-récoltants photosynthétiques, qui sont très polyvalents et efficaces, " dit Chenu, qui est également membre du Fonds national suisse de la recherche scientifique.

Ces antennes sont intégrées ou attachées à des membranes au sein de structures cellulaires appelées chloroplastes. Lorsqu'un pigment capture un photon de lumière, un de ses électrons devient excité à un niveau d'énergie plus élevé, et cette excitation est transmise aux pigments voisins le long d'un réseau qui mène finalement au centre de réaction. De ce centre, la charge disponible voyage plus loin à travers la machinerie photosynthétique pour finalement conduire à la transformation du dioxyde de carbone en sucre à travers un cycle de réactions chimiques.

Chenu et Jianshu Cao, professeur de chimie au MIT et auteur principal de l'article, voulait explorer comment l'organisation des différents pigments détermine les propriétés optiques et électriques de chaque antenne. Ce n'est pas un processus simple car chaque pigment est entouré de protéines qui ajustent finement la longueur d'onde du photon émis. Ces protéines influencent également le transfert d'excitation et provoquent la dissipation d'une partie de l'énergie lorsqu'elle passe d'un pigment à l'autre.

Le nouveau modèle de Chenu et Cao utilise des mesures expérimentales du spectre de la lumière absorbée par différentes molécules de pigment et leurs protéines environnantes. En utilisant ces informations comme entrée, le modèle peut prédire le spectre de la lumière absorbée par toute agrégation, selon les types de pigments qu'il comprend. Le modèle peut également prédire le taux de transfert d'énergie entre chaque agrégat.

Cette technique a une longue histoire en physique, et les théoriciens l'ont déjà appliqué à l'étude des solides désordonnés, liquides dipolaires, et d'autres systèmes.

"Cet article représente une nouvelle extension de cette technique pour traiter les fluctuations dynamiques résultant du couplage entre les pigments et les environnements protéiques, " dit Cao.

Le modèle fournit, pour la première fois, un lien systématique entre la structure des antennes et leurs propriétés optiques et électriques. Des scientifiques travaillant à la conception de matériaux absorbant la lumière, utilisant des points quantiques ou d'autres types de matériaux sensibles à la lumière, pourrait utiliser ce modèle pour aider à prédire quels types de lumière seront absorbés et comment l'énergie circulera à travers les matériaux, selon la structure de l'antenne, dit Chenu.

"L'objectif à très long terme serait d'avoir des principes de conception pour la récolte de lumière artificielle, " dit-elle. " Si nous comprenons le processus naturel, alors nous pouvons déduire quelle est la structure sous-jacente idéale, comme le couplage entre les pigments."

Les chercheurs travaillent maintenant à appliquer le modèle à une antenne photosynthétique connue sous le nom de phycobilisome, qui est le complexe de récolte de lumière trouvé dans la plupart des cyanobactéries, ainsi qu'aux nanostructures telles que les polymères, Films minces, et nanotubes.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.