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新突破:制成染劑光合太陽能電池

   2011-05-09 10540
核心提示:慕尼黑化學家實驗發現,葉綠素發色團直角排列可100%傳遞能量,不同發色團吸收不同波長的光,從而可制成覆蓋大部分光譜的寬頻采光器每日
慕尼黑化學家實驗發現,葉綠素發色團直角排列可100%傳遞能量,不同發色團吸收不同波長的光,從而可制成覆蓋大部分光譜的寬頻采光器

每日科學報道,慕尼黑路德維克·馬克西米連大學(LMU: Ludwig-Maximilians-Universit)化學家已經推翻了福斯特理論(Forster theory)的一個基本假設,這一假設描述色素分子(pigment molecule)之間的能量轉換,這些色素分子也就是那些構成光合作用的分子。新的理論會影響光學計算機設計,提高太陽能電池的效率。



葉綠素和其它色素分子常常涉及到特化蛋白質,能夠形成的復合物,可以充當有效的天線,收集光并傳遞給光合反應中心或太陽能電池導電層。

來源:馬克西米連大學

光合作用形成富含能量的化合物,這需要陽光的作用,也是地球上生命的基礎。在植物中,陽光的采集是依靠所謂的天線復合物(antennal complexes),這種復合物所包含的蛋白質屬于綠色素葉綠素(chlorophyll)。葉綠素捕捉到陽光能量并進行分程傳遞,幾乎沒有損失,傳遞要經過幾個中間分子,最后傳至反應中心,在那里,光能量被轉換為穩定形式的化學能量。

分子間的傳遞過程福斯特理論已經做了描述。這一理論假定,色素的作用是振子(oscillating dipoles),它用電來激發鄰近的分子,其方式很類似偶極子天線(dipole antenna)元件,這種元件接收無線電信號并傳遞給接收器。實驗測量是在路德維克·馬克西米連大學進行的,化學家海因茨·郎哈爾斯(Heinz Langhals)教授攜手物理學系的科學家,現在已經推翻了這一理論。

 

“偶極子之間能量轉移取決于它們的取向,”郎哈爾斯說: “當偶極子經正交處理后,能量轉移就不應該發生。我們已經用實驗測試了這個假設,同時讓人驚訝的是,我們發現,能量轉移快速、極其有效地進行,就是在這些條件下。”路德維克·馬克西米連大學的研究小組攜手國際合作伙伴,現在想建立堅固的實驗基礎,以構建能量轉移的新理論。這很有可能影響光學電腦的發展,也有助于提高太陽能電池的效率。

葉綠素和其它色素分子常常涉及到特化蛋白質,能夠形成的復合物,可以充當有效的天線,收集光并傳遞給光合反應中心或太陽能電池導電層。能量的采集和短暫儲存,都是在特定原子團(groups of atoms)之間的化合鍵中,這些原子團都在色素中,因此被稱為發色團(chromophores)。不同的發色團吸收的光具有不同的波長,所以一個化合物含有各種類型發色團,吸收的陽光就可以覆蓋大部分的光譜。事實上,郎哈爾斯領導的研究人員的最初目標,就是要合成這樣的寬頻采光器。

第一步,要設計這樣一個化合物,需要用福斯特理論計算染料之間能量轉移的效率。該理論認為,分子間能量傳遞的發生原因在于振子,振子這種化合物攜帶著在空間上分開的相反的電荷,會導致鄰近偶極子接著震蕩。偶極子取向在這一過程中起關鍵作用。正交定向后的偶極子被認為無法傳遞能量。如果分子被平行定向,能量傳遞就可進行。令每個人大感意外的是,測量結果表明,能量傳遞可以在直角排列的發色團之間進行,而且幾乎是100%的效率。郎哈爾斯強調:“這個過程超級有效。這體現于極短的反應時間——94億分之一秒。

這些發現排除了這樣一種想法,就是認為能量轉移的產生是依靠一種基于偶極子的機制。相反,我們的結果意味著,低頻耦合模式是源自分子內的振動。一個大規模的合作現在正在規劃中,就是要奠定實驗基礎,建立新的理論,闡明染劑分子之(dye molecules)間的能量轉移。新實驗數據的一個結果是,所謂的“分子標尺”( molecular ruler)方法可能需要進行校準。它也是基于福斯特理論的一個假設,認為能量轉移速度取決于發色團之間的距離。這種關系用于表征生化結合反應。

發色團附著于蛋白質,這些蛋白質被懷疑彼此鍵合,比如抗體與抗原彼此鍵合,這種相互作用的監測,需要估計它們之間的距離,就從能量轉移的速度來估計。新的發現最終將會導致的一種全新的理論方法,以解釋整個現象,這可能極大地影響光電子領域。光學電腦處理信息的形式是光脈沖,而不是電脈沖。

“這就是為什么能量轉移在分子光學電腦中起核心作用,”郎哈爾斯說:“在這里,染劑分子充當基本元素,就像傳統電腦中的晶體管。”光學計算機是深入研究的主題,因為它們有可能帶來極高的處理能力,只需要非常小的體積。取代福斯特理論也有助于制成高效的染劑太陽能電池。

 
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