我々はすべて、教育のある時点で光合成について学んだ。 我々は、植物 私たちが呼吸するために酸素を作り出しながら、生存のためにエネルギーを合成するために太陽光を使用します。  

私たちが知っているように人生を定義するこのプロセスは、把握するのが簡単です。

しかし、植物はどのようにして実際に光をエネルギーに変換していますか？

研究者のおかげで、これまでずっと謎だった 英国のシェフィールド大学の 秘密を解除した この研究は画期的なものであり、太陽光やコンピューティング技術を含む光を通じたエネルギーの移動に依存する将来の発明の道を切り開いています。

大学の研究チームは、 Julia A. Weinstein教授、物理化学教授、および Dr. Anthony JHM Meijer、理論化学の読者。

研究論文は 公表 自然化学における

リサーチ

光合成は簡単な言葉で植物が日光を捉え、葉緑素を使って水、二酸化炭素、ミネラルと混合してエネルギーに使う食糧を作り、それに呼吸するために呼吸する酸素を作りますに。

したがって、光合成は、植物に、電子の移動を伴うエネルギーの生成および蓄積能力を与える。 この「エネルギーと電荷の移動」は、太陽エネルギーを化学エネルギーに、または電気エネルギーを化学エネルギーに変換するための基礎も形成します。

Weinsteinによれば、「電子移動をオンまたはオフに切り替える」能力は新しいことではない。

「私たちの研究を非常にエキサイティングにするのは、私たちの合成分子を使って、非常に特異的かつ制御された方法で電子の経路を導くことができるということです」とワインスタインは声明で述べました。

Weinsteinは、特定の赤外光パルスが印加されたときに、正確に電子の行き先を導くことができる、研究者によって使用される新しい「フォーク」分子を指している。

「この分子フォークを作る際には、光合成などの自然の分子過程をモデル化する能力があります」とワインスタイン氏は声明で述べています。

「エネルギーがどのように蓄積されて利用されるかを再現することができれば、将来私たちは新しい分子技術を開発するための基礎を築くことができます」

研究者は、分子フォークを介していくつかの経路の1つに沿ってエネルギーを誘導する能力は、多くの潜在的な応用を有すると考えている。

「太陽から来たエネルギーを捕捉して蓄える新しい方法から、新しいコンピューティング技術の開発に至るまで、この研究はいくつかの刺激的な新しい機会を開くものです」とワインスタインは声明で述べています。 研究者によって提供された例には、分子フォークが「低エネルギーの赤色光を使用して」電荷を誘導するために使用することができるコンピューティングにおける情報の保存と検索が含まれていました。

この研究は、 工学および物理科学研究評議会（EPSRC） & 科学技術会議（STFC）.  

研究の詳細

光合成は単純な概念ですが、研究は複雑です。 研究の複雑さを把握するために、University Network（TUN）は、WeinsteinとMeijerとの質疑応答を開始し、彼ら自身の言葉で、彼らの研究に何が関係していたかを調べました。

どのようにエネルギーと電荷移動が光合成と太陽 - 化学または電気 - 化学エネルギー変換を駆動するのか？

光子が分子に衝突すると、それは吸収され、分子は「電子的に励起された」高エネルギー状態になる。 これは、分子内の電子密度分布が変化したことを意味し、一部の領域はより電子リッチになり、一部の領域は電子リッチになる。

光合成では、この電子密度の変化が「電荷分離」を引き起こしています。電子はアセンブリのある部分から別の部分へと促進され、通常は穴と呼ばれる+電荷の空孔を残します。

実際には、吸収された光子のエネルギーが「 - 」電荷と「+」電荷とを分離するのに費やされ、このエネルギーはこの高エネルギーの電荷分離状態に保存される。 電子を失う分子の部分はドナーと呼ばれ、電子を受け取る部分はアクセプターと呼ばれます。

通常、電子と正孔が再結合し、光子が分子に当たる正味の効果はない。 しかし、空間的に電子と正孔を分離した場合、すなわち分子の一端と電子を他方の端に移動させると、再結合が遅くなり、これらの電荷が使用されるのに十分長い間太陽光発電で電気として収穫されるか、または有用な化学を推進する。 これは、光合成や太陽電気化学的エネルギー変換の鍵となる要因です。

光合成の場合、電子はCO2を還元し、最終的にグルコースを生成するために使用されます。 同時に、穴は水を酸化して酸素を放出するために使用されます。 移動する電子は当然のことながら電気であるため、空間的に分離された電子と正孔は直接使用することもできます（ソーラーパネルは簡単に動作します）。

光合成におけるCO2の還元を行う正しい場所への電子の到達はそれほど簡単ではなく、光収穫タンパク質の異なる部分の電子状態間の微妙な相互作用（量子干渉）が重要な役割を果たすという兆候がある。 このような干渉は、我々が望む結果を得るためにこの論文で使用した干渉とは異なるものではありません。

どのようにして分子フォークを作りましたか？

分子フォークのアイデアは、光合成において同じではないにしても、電子的に類似した多数のものから来ている。 私たちは人工システムの多くの利用可能な経路のうちの1つに料金を課すことができるかどうかを見たいと思っていました。 しかし、2つの「道」を同じだが明確にする方法はありますか？

分子フォークの背後にある鍵は、2つのアームが全体的に同じ要素を含むが、2つのドナーを1つのアクセプターに橋渡しするアセチリド単位の異なる炭素同位体を含むことである。 したがって、2つのアームは化学的には同じですが、異なる周波数で振動します。 つまり、これらの振動を個別に「ターゲット設定」することができ、一方のアームに影響を及ぼしますが、他方のアームには影響しません。 これには本当に難しい合成が必要でした。

あなたの研究によって開かれたエキサイティングな機会についてもっと教えてください。

光合成に触発されていますが、これは基礎研究であり、まだ直接的な応用に発展していません。 しかし、この効果が実証されたのはこれが初めてであり、これが本当にエキサイティングになる可能性のある分野がいくつかあります。

まず第一に、私たちのセットアップでは、一方または他方の武器を自由に直接任命することができます。 したがって、我々は効果的に2つの可能なパスの1つの間で穴のパスを切り替えています。 これにより、錯体の白金 - アセチリド架橋部分が実質的にフォトスイッチ（または鉄道アナロジーを使用したい場合は点のセット）になります。 （高速）スイッチングは、すべての現代技術の鍵ですが、もちろんインターネットは特にそうです。 私たちの分子は、コンピュータが互いに話すことを可能にするユビキタスなスイッチの分子版であり、したがって、この分野での機会を提供することができます。 フォトスイッチは、情報の記憶と検索において大きな可能性を秘めています。

さらに、低エネルギーの赤外光（可視範囲の光子のエネルギーが10％未満）を使用して、分子がたどる反応性経路を変更します。 赤外線は分子内の他の何にも影響を与えません。それは実際にターゲットにしています。具体的には、ターゲットにしたい唯一の振動です。

全体的に、低エネルギーの赤外光の量子は、分子を「左または右」のどこで電荷を送るべきかを「伝える」ことができます。それは論理ゲート、情報記憶、反応性で使用することができます。複数の潜在的な結果に依存しています。 これを「分子の選択」と見ることができます。

まとめ

この革新的な研究は、多くの分野における技術の進歩の道を開くはずです。

「これは光合成に触発された本当にエキサイティングな研究領域です。 超高速、同調可能、短パルスレーザーの最新技術と大規模システムの量子力学への理論的アプローチの最新の進歩を利用して、意思のある反応性を導く試みをしています」とWeinsteinとMeijerはTUNに語った。

「光によって誘発される反応、光誘発作用と機能を制御する能力は非常に刺激的であり、ナノテクノロジーとコンピュータ技術の未来の多くは、ナノ世界の光制御が離れるときに「フォト」という接頭辞を持つと考えています。

研究者たちは、成功を他の人とのコラボレーションに信用しています。

「この学際的な研究は、シェフィールド大学とラザフォード・アップルトン研究所のセントラル・レーザー施設の非常に才能のある合成化学者、レーザー分光学者、理論家の驚くほど幸運な組み合わせによってもたらされたもので、学際的研究はキー！、 "ワインスタインとメイヤーはTUNに語った。