Beter begrip van kunstmatige fotosynthese

Planten maken via fotosynthese van zonlicht direct brandstof. Er bestaan kunstmatige nanobuisjes die werking van het fotosynthese-systeem deels nabootsen. Onderzoek van Groningse natuurkundigen, samen met collega’s uit Duitsland en de VS, laat zien hoe deze buisjes precies werken. Dat is van belang voor het ontwerpen van kunstmatige fotosynthesesystemen die zonlicht direct omzetten in iets wat in de brandstoftank kan.

In een artikel dat op 1 juli als voorpublicatie op de website van het tijdschrift Nature Chemistry is gezet, onthullen de onderzoekers hoe nanobuisjes, die bestaan uit op elkaar gepakte kleurstofmoleculen, lichtenergie verwerken. De buisjes hebben een doorsnee van ongeveer tien nanometer (een nanometer is een miljoenste millimeter) en kunnen enkele duizendste millimeters lang zijn.

Twee lagen

‘Deze buisjes zijn al zo’n tien jaar bekend’, vertelt Jasper Knoester, hoogleraar theoretische natuurkunde aan de RUG. ‘Een kenmerk is dat ze bestaan uit twee lagen. De kleurstofmoleculen in beide lagen absorberen fotonen en raken daardoor in een aangeslagen toestand. Wij hebben nu ontdekt dat beide lagen afzonderlijk functioneren.’

Stemvork

Waar de fotonen bij een gewone zonnecel elektronen losmaken en zo elektrische stroom opwekken, zetten de kleurstoffen in de nanobuisjes de fotonen om in energie. Die energie kan van molecuul naar molecuul overspringen. ‘Je kunt het vergelijken met een stemvork die aanslaat, zodat deze gaat trillen,’ legt Knoester uit. ‘Wanneer je een heel rijtje stemvorken vlak bij elkaar zet en er eentje laat trillen, zullen andere stemvorken gaan meetrillen. Op die manier verspreidt de opgevangen lichtenergie zich door het nanobuisje: sommige moleculen raken aangeslagen en andere moleculen gaan “meetrillen”.’

Van licht naar brandstof

In fotosynthesesystemen van groene planten werkt het net zo. Grote aggregaten van moleculen vangen licht op, zetten het om in energie die uiteindelijk in een centraal reactiecentrum terechtkomt. Daar legt het systeem de energie uiteindelijk vast in bijvoorbeeld suiker. ‘Er is veel belangstelling voor systemen die dit kunnen nadoen: light-to-fuel, van licht naar brandstof. Die brandstof kan je opslaan en in je tank stoppen, wat met de stroom die gewone zonnecellen maken veel moeilijker is.’

Coherentie

Enkele jaren geleden zijn sterke aanwijzingen gevonden dat bij het opvangen van energie door natuurlijke fotosynthesesystemen kwantummechanische effecten optreden. Dat was onverwacht, omdat zulke effecten vooral gezien worden bij zeer kleine structuren en lage temperatuur. De energie verspreidt zich in het systeem via ‘coherentie’. Simpel gezegd weet de energie de kortste route door het fotosynthesesysteem te vinden door alle mogelijk routes tegelijk af te lopen om dan de beste te ‘kiezen’. Mogelijk draagt dit bij aan de grote efficiëntie van fotosynthese: 95 procent van de door planten opgevangen energie wordt omgezet in brandstof.

Doorslaggevend experiment

‘We wilden weten of coherentie zich beperkt tot één wand, of dat het ook tussen wanden optreedt. Daar bestonden tegenstrijdige experimentele gegevens over’, vertelt Knoester. Deze kennis is van belang bij het ontwerpen van kunstmatige licht-naar-brandstof systemen. In het artikel dat vandaag verschenen is, beschrijven de onderzoekers een doorslaggevend experiment. Via oxidatie is de buitenste schil van de nanobuisjes langzaam onklaar gemaakt. Ondertussen is gemeten hoe de absorptie van licht verandert.

Meer begrip

De conclusie luidt dat de binnenkant en de buitenkant van het nanobuisje slechts heel zwak verbonden zijn. Ze werken, in ieder geval bij kamertemperatuur, als twee onafhankelijke systemen. Een tweede experiment bevestigde dit resultaat. Knoester: ‘We krijgen hierdoor meer begrip van de relatie tussen de moleculaire bouw en de functie van deze nanobuisjes.’ Dat helpt om nieuwe, eenvoudiger licht-oogstende structuren te ontwikkelen. ‘Maar we hebben nu ook meer fundamenteel inzicht in de manier waarop kwantummechanische effecten in dit soort moleculen optreden.’

Kwantumcomputers

Dat laatste kan belangrijk zijn voor een heel andere toepassing: de kwantumcomputer. Door coherentie kan een ‘kwantum-bit’ tegelijkertijd verschillende waarden aannemen. In principe is het op deze manier mogelijk om veel sneller te rekenen dan met gewone computers. Alleen is het lastig om kwantum-bits te maken die bij kamertemperatuur werken. ‘Begrijpen hoe in natuurlijke en kunstmatige fotosynthesesystemen kwantumeffecten optreden, is daarom van belang.’

Meer informatie

-  Contact: prof.dr. J. Knoester, j.knoester rug.nl; tel 050-3634617. Jasper Knoester is behalve decaan van de Faculteit Wiskunde en Natuurwetenschappen, hoogleraar bij het Institute for Theoretical Physics en het Zernike Institute for Advanced Materials (ZIAM) van de RUG.
-  Referentie: Utilizing redox-chemistry to elucidate the nature of exciton transitions in supramolecular dye nanotubes ; D. M. Eisele^1,2, C. W. Cone³, E. A. Bloemsma⁴, S.M. Vlaming^1,4, C. G. F. van der Kwaak⁴, R. J. Silbey^1,†,M. G. Bawendi , J. Knoester^4*, J. P. Rabe² and D. A. Vanden Bout^3*; Nature Chemistry; DOI: 10.1038/NCHEM.1380

¹Massachusetts Institute of Technology, Center for Excitonics and Department of Chemistry, 77 Massachusetts Avenue, Cambridge, Massachusetts 02139, USA, ²Humboldt-Universität zu Berlin, Department of Physics and IRIS Adlershof, Newtonstraße 15, D-12489 Berlin, Germany, ³University of Texas at Austin, Department of Biochemistry and Chemistry and Center for Nano and Molecular Science and Technology, 1 University Station A5300, Austin, Texas 78712-0165, USA, ⁴University of Groningen, Institute for Theoretical Physics and Zernike Institute for Advanced Materials, Groningen, The Netherlands; ^†Deceased.