Veštačko repliciranje biološkog procesa fotosinteze je cilj za kojim se traga na mnogim frontovima, a koji ima potencijal da jednog dana poboljša efikasnost solarnog prikupljanja mnogo više nego što je moguće sa fotonaponskim ćelijama. Jedan od prvih koraka na putu ka postizanju ovog cilja jeste imitiranje mehanizama koji prenose energiju od receptora do izlaza.
U tom cilju, naučnici su nedavno eksperimentisali sa kombinacijom bioloških i fotonskih kvantno-mehaničkih stanja kako bi formirali novu polu-svetlosnu polu-materijalnu česticu, nazvanu „polariton“. Ona bi mogla da pomogne formiranje potpuno sintetičkih sistema imitiranjem sistema transporta energije biološke fotosinteze.
Istraživanjem mehanizma prenosa energije u fotosintezi, istraživači sa Univerziteta u Sautemptonu, u saradnji sa Univerzitetima u Šefildu i Kritu, su prepoznali da je glavni problem u stvaranju biloškog kretanja energije - FRET (Forster Resonance Energy Transfer) - beskonačno malo rastojanje u kojim ovaj proces funkcioniše.
U suštini, FRET se oslanja na molekule donatora koji inicijalno apsorbuju energiju od sunčeve svetlosti, a zatim prenose tu energiju na akceptorski molekul ("hromofor") u procesu bez radijacije. Međutim, ova funkcija takođe zavisi od izuzetno neposredne blizine svakog molekula sa sledećim (obično 1 do 10 nanometara) i uveliko omogućava efikasni energetski prenos u više praktičnim sintetičkim sistemima sa većim zahtevima za prenos na daljinu.
Kako bi pokušali da prevaziđu ove ograničavajuće faktore, istraživači su dizajnirali alternativni međumolekularni sistem prenosa energije koji koristi svetlost u interakciji sa dva različita organska molekula u optičkoj duplji. Uređaj se sastoji od optičke duplje napravljene od dva metalna ogledala koja zarobljavaju fotone u zatvorenom okruženju u kojem dva različita organska molekula borave. Podešavanjem razmaka između ogledala na osnovu urođenog optičkog sastava organskih materija, a zatim bombardovanjem duplje sa visoko-energetskim fotonima, novo kvantno stanje je rezultat spoja zarobljenih fotona i uzbuđenog stanja molekula.
U stavri, foton suštinski „lepi“ zajedno ova kvantna mehanička stanja, formirajući novu polu-svetlosnu, polu-materijalnu česticu - polariton - koja je onda odgovorna za efikasan prenos energije iz jednog materijala u drugi preko daljine koja je značajno duža od onih primećenih u uobičajenim procesima FRET tipa.
„Mogućnost prenosa energije preko veće razdaljine uporedive sa talasnom dužinom svetlosti ima potencijal da bude od fundamentalnog i primenjenog interesa“, rekao je dr Nikolo Somasči sa Univerziteta u Sautemptonu. „Na fundamentalnom nivou, sadašnji rad sugeriše da koherentno spajanje molekula može direktno biti uključeno u proces prenosa energije koja se javlja u procesu fotosinteze.“
Kao jedan element repliciranja procesa energetskog prenosa fotosinteze, ovo istraživanje bi trebalo da unapredi naše znanje o principima biološkog prenosa energije i da nam ponudi nove mogućnosti u dizajniranju veštačkih sistema koji poboljšavaju efikasnost svojstvenu prirodnim sistemima.
Detalji istraživanja su nedavno objavljeni u stručnom časopisu „Nature Materials“.
