科学家创造了可以收获光能的合成电路

通过组织DNA脚手架上的颜料，MIT-LED的研究人员设计了一种光学收获的材料，可以密切地模仿天然存在的光合结构的结构。

研究人员使用使用DNA支架制成的新型结构，以创造太阳能材料，密切模仿天然存在的光合结构。

研究人员表明，它们的合成材料可以沿精确控制的途径吸收光线并有效地将其能量转移。这种类型的结构可以掺入玻璃或纺织品的材料中，使他们能够从MIT的生物工程副教授Mark Ba​​the中收获或以其他方式控制来自阳光的进入能量。

“这是一种自然光收集电路的纯合成模拟的第一次演示，该电路由密集的染料簇组成，这些染料在纳米级中精确地在细菌系统中发现，”沐浴说。一纳米是米的十亿分之一米，或1 / 10,000人的头发的厚度。

沐浴是新研究的高级作者之一，以及哈佛大学化学和化学生物学教授的Alan Aspuru-Guzik，以及亚利桑那州立大学化学和生物化学教授Hao Yan。本文引导作者出现在11月13日的自然材料问题，是前麻省理工学院博士艾瑞恩·贝卢斯，哈佛研究生尼古拉斯·萨耶，和麻省理工学院·雷吉·威尼斯

捕捉光

数十亿年，植物和光合细菌已经进化了有效的细胞结构，用于从太阳中收获能量。该过程需要捕获光子（光能分组）并将它们转换为激子 - 一种可以携带能量的特殊类型的Quasiply。然后将来自这些激子的能量通过称为反应中心的蛋白质和颜料的复合物中的其他分子，并最终由植物使用以构建糖分子。

虽然科学家们已经开发了用于携带电子（如半导体）和光子（光纤）的可靠技术，以控制激子的方法已经证明了更具有挑战性。

四年前，沐浴，斯堪葫芦和燕开始研究可以模仿自然光收获组件的合成结构。这些组件通常在称为叶绿体中的细胞细胞器中发现，具有复杂的结构，可有效地捕获并以纳米的等级捕获和运输太阳能。

“关于光合射击的光合射击的需求真正惊人，”加布里埃拉·施洛 - 科恩说，这也是该论文的作者。“当需要时，每个吸收的光子都可以通过围绕反应中心的蛋白质网络迁移，以产生电力。”

研究人员通过附着光收获颜料来研究由DNA制成的支架来模拟这些结构。在过去的几年里，沐浴的实验室已经设计了新的方式来编制DNA，以特定的形状折叠，而去年洗澡和他的同事创造了一种新的计算机编程工具，可以自动设计几乎任何形状的DNA支架的过程。

对于这项研究，研究人员希望使用DNA支架在空间上组织与本质上发现的那些相似的密集色素簇。Boulais发现了一种1977篇论文，表明，一种称为伪异氰胺（PIC）的合成颜料聚集在天然存在的DNA的特定序列上，以形成研究人员寻求的结构类型，称为J-emplate。然而，由于这种方法使用自然发生的DNA，因此无法控制簇的间距，尺寸或3-D空间组织。

veneziano测试了研究人员将这些J-aggegate模板的能力与使用合成DNA的不同的二维组织的离散集群，并且Boulais和Sawaya在计算上设计可定制的，合成的DNA支架，它们将这些聚集体组织成吸收光子的电路和运输到电路中。导致沿可预测路径的激子。通过编程特异性DNA序列，研究人员可以控制染料分子簇的精确定位和密度，坐落在刚性双链DNA支架上。他们计算地建模了诸如染料分子数，定位的数量，它们之间的距离和它们之间的距离的因素是如何影响所得电路的效率，分析了许多版本的电路，以实现能量转移的效率。

“光合生物精确地使用蛋白质支架组织它们的光收获分子。到目前为止，这种结构控制难以在合成系统中实现。看起来DNA折纸提供了一种模仿光合射击复合物的许多原则的手段，“普林斯顿大学化学教授Gregory Scholes表示，他们没有参与该研究。

由共同作者苏林领导的ASU团队的一部分进行了一系列光谱测量，以证明所设计的DNA结构产生所需的J-聚集体，并表征它们的光物理性质。Schlau-Cohen使用先进的光谱技术来分析天然和合成的光收获系统，表明这些致密颜料组件能够有效地吸收光能并沿着特定途径运输。

“我们展示了使用J-汇聚染料来控制交通模式的能力，而不仅仅是激子琴可以旅行的距离。这很重要，因为它在为功能材料设计这种电路方面提供多功能性，“沐浴说。

“兴奋系统的自下而上的设计是我们能源前沿研究中心（EFRC）的重点目标。阿斯图尔鲁 - 古兹克说，我很高兴看到一个重要的垫料朝向展示对激子流自下步控制的重要性。“他补充说“多学科研究，紧紧耦合的合成，理论和表征需要达到这一点。”

新材料

研究人员认为，这些合成结构可以集成到2-D和3-D材料中，如玻璃或纺织品，使这些材料能够吸收阳光并将其转换成其他形式的能量，如电力，或者利用能量。该结构还可以使用Excitonic电路作为量子逻辑门在纳米级实现的量子计算机形成新的依据。

研究人员现在计划探讨制造这些合成光收获系统的方法，如更好的方式，包括寻找更高效的颜料，这些颜料可能位于北卡罗来纳州立大学的最近宣布的Max Weaver Dye图书馆，其中拥有98,000个独特的染料。

“我们仍然可以想象出改善这一点，”Schlau-Cohen说。“我们有能力控制近分子参数，以探索如何在无序材料中有效地运输能量的基本科学问题。”Schlau-Cohen也是一个同伴出版物的高级作者，将在下周在物理化学信杂志上发表。

自然材料纸的其他作者是MIT Postdocs James Banal和Toru Kondo，他领导了物理化学字母纸;以前的Asu Postdoc Alessio Andreoni; ASU Postdoc Sarthak Mandal;苏林亚亚苏高级研究教授;和ASU教授Neal Woodbury。

该研究由美国国防部的多学科大学研究倡议资助，美国能源部通过麻省理工学院兴奋中心，海军研究办公室，史密斯家族研究生科学和工程研究金，以及自然科学和工程研究委员会加拿大。

出版物：ÉtienneBoulais等，等，“在合成DNA的兴奋电路中编程相干耦合，”自然材料，2017年; DOI：10.1038 / NMAT5033