Eerste stap naar omzetten zonne-energie met ‘kunstmatig blad’
Om brandstof uit zonlicht te maken zijn twee dingen nodig: een antenne die licht opvangt, en een licht-aangedreven katalysator. De efficiëntste antennes hebben bacteriën. Een internationaal team onder leiding van Huub de Groot maakte ze na en ontdekte hoe ze in elkaar zitten.
Structuur van kunstmatige lichtcollectoren bepaald
Een internationaal team onderzoekers modificeerde het bladgroen van een alg zodanig dat het lijkt op de uiterst efficiënte lichtantennes van bacteriën. Vervolgens wisten ze van deze half-synthetische lichtantenne de structuur te bepalen. Hiermee is de eerste stap gezet naar het omzetten van zonlicht in energie door middel van een ‘kunstmatig blad’. De onderzoekers publiceren hierover in de online Early Edition van het blad PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences) in de week van 29 juni.
De Leidse onderzoekster Swapna Ganapathy is op het onderwerp gepromoveerd bij prof.dr. Huub de Groot, een van de initiatiefnemers van het onderzoek.
Bossen op nanoschaal
Er wordt al over gedroomd: kunstmatige bossen op nanoschaal. Of trottoirs en snelwegen waarin de ruimtes in het oppervlak opgevuld zijn met kleurstofmoleculen die zonlicht opvangen en omzetten in brandstof en andere vormen van - schone - energie. Maar voor het zover is moeten er eerst kunstmatige fotosynthesesystemen ontwikkeld worden die dat snel en efficiënt doen.
Brandstof uit zonlicht
Om brandstof uit zonlicht te maken zijn twee dingen nodig: een antenne die licht opvangt, en een licht-aangedreven katalysator. Het artikel in PNAS gaat over het eerste: de antenne.
Lichtantenne’s van bacteriën namaken
De snelste lichtcollectoren vind je nog steeds in de natuur: in groene bladeren, algen en bacteriën. Het aller-snelst werken de lichtantennes – chlorosomen - van bacteriën, die in zeer ongunstige lichtomstandigheden, bijvoorbeeld diep in zee, minieme hoeveelheden lichtdeeltjes moeten kunnen opvangen. Deze chlorosomen zijn opgebouwd uit chlorofylmoleculen. De kunst is dus om juist die systemen na te maken.
Duitse collega’s in het team van Huub de Groot modificeerden chlorofylen uit de alg Spirulina, zodat die gingen lijken op de pigmenten van bacteriën. Vervolgens onderzocht de groep van De Groot hoe de structuur van deze semi-synthetische lichtantennes eruit zag.
Nanotechnologie
De Groot: ‘ Nanotechnologie en supramoleculaire systemen worden steeds belangrijker. Maar om de structuur daarvan bepalen is zeer moeilijk. Vaak worden cartoons gemaakt die schematisch aangeven hoe het in elkaar zou kunnen zitten.’
De Groot c.s. slaagden er echter in om de gedetailleerde moleculaire en supramoleculaire structuur te bepalen van de zelfgefabriceerde lichtantennes. Dit deden ze met een combinatie van vaste stof NMR en röntgendiffractie. Met röntgendiffractie bepaalden ze de globale structuur en met NMR drongen ze diep door in de moleculen (zie uitleg over de methode).
Stapeling van moleculen
De Groot: we wisten al dat de lichtantennes in bacteriën een soort boomstammetjes vormen. In deze semi-synthetische antennes blijken de moleculen zich op een andere manier op te stapelen; ze zijn plat. Maar het is wel één van de vier manieren waarop we van te voren al dachten dat het kon.
Nieuwe insteek
Hoe de lichtantennes van gemodificeerde Spirulina in de praktijk werken moet nog blijken. De Groot: ‘Het is een heel nieuwe insteek in dit veld.’
De nieuwe inzichten volgen elkaar wel snel op. Vorige maand wist De Groot, in een deels anders samengesteld internationaal team, ook al een doorbraak te melden in hetzelfde tijdschrift PNAS. Toen liet hij zien hoe hij – eveneens met een combinatie van NMR en een andere techniek, ditmaal elektronenmicroscopie - de structuur op van de lichtantennes van de bacteriën zelf had opgelost. Daarmee konden de onderzoekers verklaren hoe ze zo snel en efficiënt werken.
Zinc chlorins for artificial light-harvesting self-assemble into antiparallel stacks forming a microcrystalline solid-state material Swapna Ganapathy, Sanchita Sengupta, Piotr K. Wawrzyniak, Valerie Huber, Francesco Buda, Ute Baumeister, Frank Wurthner, and Huub J. M. de Groot
PNAS online Early Edition
Links:
- Leiden Institute of Chemistry: Onderzoeksgroep Solid State NMR /Biophysical Organic Chemistry
- Witboek 'Harnessing Solar Energy for the Production of Clean Fuels', by Huub de Groot e.a
Zie ook eerdere artikelen in de nieuwsbrief van de Universiteit Leiden:
- Structuur lichtantennes bacteriën bepaald (12 mei 2009)
- Duurzame energie uit fotosynthese: Europa mag niet achterblijven (31 maart 2009)
De methode: een combinatie van vaste-stof NMR en Röntgendiffractie
Vaste-stof NMR en Röntgendiffractie zijn allebei methoden voor structuuronderzoek van materialen, met normaal gesproken verschillende toepassingsgebieden in het onderzoek.
NMR voor het microniveau
NMR (kernmagnetische resonantie) is een microscopische techniek voor onderzoek van geordende, maar niet noodzakelijk kristallijne materialen.
Met behulp van radiogolven worden de kernen van de atomen in een molecuul in resonantie gebracht. Deze resonanties zijn gevoelig voor de omgevingseigenschappen van het molecuul en kunnen overspringen tussen atomen en moleculen. Vervolgens kunnen ze worden opgevangen met gevoelige antennes en vergeleken worden met het oorspronkelijk uitgezonden signaal. Met geavanceerde computerberekeningen kan uit de NMR-opnames de stapeling en rangschikking van moleculen worden afgeleid, maar alleen op het microniveau.
Beperkt aantal reflecties
Röntgendiffractie is gebaseerd op het principe van verstrooiing van Röntgenstralen. Teruggekaatste golven leveren een regelmatig patroon van uitdoven en versterken, en uit de regelmaat kan weer met nauwkeurige computeranalyse de structuur worden bepaald. Maar om een goede structuur te verkrijgen moeten de moleculen over langere afstand heel precies gerangschikt zijn, anders doven de reflecties elkaar uit. Voor toepassing van de diffractietechnieken zijn daarom kristallijne materialen nodig.
Wat nu als een materiaal semi-kristallijn is? De moleculen zitten dan wel op regelmatige afstanden van elkaar, maar niet precies ieder molecuul op dezelfde manier. Dan levert de diffractie een beperkt aantal reflecties, niet genoeg om de structuur tot op het moleculaire niveau volledig op te helderen.
De details invullen
Vaste stof NMR kan dan gebruikt worden om de details in te vullen. Samen leveren ze een model van de pakking en de daarbij behorende symmetrie van de zelf-geassembleerde semi-kristallijne structuur, en leveren daarmee een basis voor verder onderzoek van de functionele eigenschappen. Dit nieuwe concept om de structuur van een materiaal in de vaste toestand op te helderen werd toegepast om de stapeling te bepalen van zinkchlorines die geleidende draden vormen met mogelijkheden voor toepassing in supramoleculaire elektronica en kunstmatige lichtcollectoren.
Fundamentals of Science is een van de 11 onderzoeksprofileringsgebieden van de Universiteit Leiden
(30 juni 2009/HP)