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Donnerstag, 30.03.2017
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Künstliche Photosynthese: Quantenpunkte als Lichtantennen

Forscher entwickeln neuen Ansatz zur Steigerung der Lichtausbeute

Wahre Meister bei der Nutzung von Sonnenenergie sind photosynthetische Pflanzen, Algen und Bakterien. Wissenschaftler versuchen seit langem, diesen Organismen nachzueifern. Ein internationales Forscherteam hat jetzt einen neuen Ansatz zur Steigerung der Lichtausbeute von künstlichen Photosynthesesystemen entwickelt.
Photon trifft Quantenpunkt

Photon trifft Quantenpunkt

Wie die Forscher in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ berichten, gelang es ihnen, das photosynthetische Reaktionszentrum einer Purpur-Alge mit einem Quantenpunkt, einem anorganischen Nanokristall, als „Antenne“ zum Einfangen von Licht auszustatten.

„Antenne“ absorbiert Licht


In Organismen ist der erste Schritt der Photosynthese die Absorption des Lichtes durch eine „Antenne“, einem Komplex aus Proteinen und Pigmenten, der durch die Lichtenergie in einen elektronisch angeregten Zustand gelangt. Das „Energiepaket“ kann nun an spezielle Chlorophyll-Cofaktoren im so genannten Reaktionszentrum des Photosyntheseapparates „weitergereicht“ werden. Dort werden sie letztendlich genutzt, um zelluläre Energiespeicher wie ATP herzustellen.

Das „Weiterreichen“ der Energiepakete läuft über einen speziellen strahlungslosen Vorgang namens „Förster-Resonanzenergietransfer“ (FRET), bei dem elektronische Zustände von „Absender“ und „Empfänger“ des Energiepakets im „Gleichklang“ schwingen müssen.


Effiziente „Ernte“ von Lichtteilchen


Auch ein künstliches Photosynthese-System muss eine Antenne für die effiziente „Ernte“ von Lichtteilchen haben, die zudem in der Lage ist, die Energiepakete per FRET weiterzureichen. Bisherige künstliche Antennen, organische Farbstoffmoleküle, hatten nach Angaben der Forscher den Nachteil, dass sie einen viel zu schmalen Wellenlängenbereich des Sonnenlichts einfangen. Außerdem sind sie unter längerer Bestrahlung nicht stabil.

Die Idee von Igor Nabiev vom NanoGUNE Forschungszentrum im spanischen San Sebastian, Alexander O. Govorov von der Ohio Universität, John Donegan vom irischen Trinity College Dublin, und einem Team aus spanischen, irischen, französischen und russischen Wissenschaftlern war nun, statt organischer Moleküle fluoreszierende anorganische Quantenpunkte als Antennen zu verwenden.

Nanoskopische Kristalle


Quantenpunkte sind nanoskopische Kristalle, die so winzig sind, dass sie sich in vielen Aspekten wie Moleküle verhalten, nicht wie makroskopische Festkörper. Die elektronischen und optischen Eigenschaften von Quantenpunkten, etwa welche Wellenlängen sie absorbieren, lassen sich in weiten Bereichen maßschneidern, da diese von deren Größe, Form und Zusammensetzung abhängen.

Die Forscher wählten nun Quantenpunkte aus Cadmiumtellurid und Cadmiumselenid, die unter Beleuchtung fluoreszieren. Dabei bleiben sie auch langfristig stabil. Größe und Oberflächenbeschaffenheit der Quantenpunkte wurden so gewählt, dass diese einen besonders breiten Bereich des Sonnenlichts einfangen können.

Quantenpunkte geben Energiepakete weiter


Es gelang den Chemikern, die Antennen-Quantenpunkte an das Reaktionszentrum aus dem photosynthetischen System von Purpurbakterien zu kuppeln. Unter Bestrahlung fluoreszieren die Quantenpunkte nun nicht mehr, sondern geben die aufgenommene Energie wie gewünscht per FRET an das Reaktionszentrum weiter. Der neue Ansatz könnte deshalb den Forschern zufolge den Weg zu neuartigen künstlichen photosynthetischen Systemen ebnen.
(idw - Gesellschaft Deutscher Chemiker, 26.10.2010 - DLO)
 
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