Hybride Lichtmaschine
Bakterielles photosynthetisches Reaktionszentrum erntet mehr Licht dank maßgeschneiderter organischer Antenne.
Pflanzen können es, der Mensch kriegt es noch nicht so richtig hin: Die Gewinnung von Energie aus Sonnenlicht. Hybride Systeme aus natürlichen und künstlichen Komponenten könnten neue Wege für die Solarenergieerzeugung eröffnen. Ein solches Konzept kombiniert jetzt den photochemischen Kern eines bakteriellen Photosynthesesystems mit einem organischen Farbstoff als „Antenne“, die den Lichteinfang deutlich verstärkt.
Abb.: Kombination des photochemischen Kerns eines bakteriellen Photosynthesesystems mit einem organischen Farbstoff als „Antenne“ verstärkt den Lichteinfang. (Bild: Wiley-VCH)
Allen Photosynthese betreibende Organismen ist die funktionelle Organisation des Photosyntheseapparates gemeinsam: Pigment-Protein-Komplexe fangen das Licht ein wie ein Radioantenne die Radiowellen und leiten es an einen zentralen photochemischen Kern weiter, das Reaktionszentrum. Hier diese Energie in ein Elektron-Loch-Paar konvertiert. Dieser Zustand der Ladungstrennung muss lange genug erhalten bleiben, um ihn nutzen zu können. Der Organismus treibt damit seinen Metabolismus an. In der Technik kann die Ladungstrennung genutzt werden, um eine Redox-Reaktion anzutreiben, wie die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff.
Die Natur beherrscht alle diese Schritte optimal. Bei künstlichen Systemen erreicht die Lebensdauer der Ladungstrennung dagegen kaum den Bereich von Millisekunden. Das reicht nicht aus, um die erzeugte Energie mit hoher Ausbeute abzuzapfen. Ein interessanter Ansatz ist es, hybride Systeme zu konstruieren, die eine maßgeschneiderte synthetische Antenne mit einem natürlichen „Lichtumwandler“ kombinieren. Als künstliche Antennen dienten bisher vor allem Quantenpunkte.
Forscher um Gianluca Farinola und Massimo Trotta wählten stattdessen ein maßgeschneidertes organisches Farbstoffmolekül als Antenne. Gegenüber den anorganischen Strukturen ergeben sich mehrere Vorteile: Die molekulare Vielfalt organischer Verbindungen erlaubt eine sehr feine Justierung der spektroskopischen und elektronischen Eigenschaften der Antenne. Gleichzeitig lassen sich die molekulare Form und Biegsamkeit so einstellen, dass die Antenne das Reaktionszentrum und dessen Funktion, anders als Quantenpunkte, so gut wie gar nicht beeinträchtigt. Eine organische Antenne lässt sich zudem an nahezu beliebige Stellen des Reaktionszentrums anknüpfen.
Ihre organische Antenne kombinierten die italienischen Wissenschaftler mit dem bereits gut erforschten Reaktionszentrum aus dem Purpurbakterium Rhodobacter sphaeroides R-26. Es zeigte sich, dass die Antenne die Funktion des natürlichen Lichtumwandlers nicht stört, sondern dessen Aktivität in einem Wellenlängenspektrum verbessert, in dem das rein biologische System nicht effizient absorbiert.
GDCh / OD
