Ilmuan Duplikasi Kemampuan Fotosintesis Tumbuhan

Ilmuan Duplikasi Kemampuan Fotosintesis Tumbuhan. Penelitian dari DOE / Pacific Northwest National Laboratory yang Terinspirasi oleh alam, telah menciptakan bahan baru yang mampu menangkap energi cahaya. Bahan ini menyediakan sistem pemanenan cahaya buatan yang sangat efisien dengan aplikasi potensial dalam fotovoltaik dan bioimaging.

Penelitian ini memberikan dasar untuk mengatasi tantangan sulit yang terlibat dalam pembuatan bahan hibrida organik-anorganik fungsional hierarkis. Alam memberikan contoh indah dari bahan hibrida yang terstruktur secara hierarkis seperti tulang dan gigi. Bahan-bahan ini biasanya menampilkan susunan atom yang tepat yang memungkinkannya mencapai banyak sifat luar biasa, seperti peningkatan kekuatan dan ketangguhan.

Baca juga: Tanaman Masa Depan dengan Efisiensi Fotosintesis Lebih Tinggi

Material Hibrid Alami

Ilmuwan material PNNL Chun-Long Chen, penulis studi dan kolaboratornya menciptakan material baru yang mencerminkan kompleksitas struktural dan fungsional dari material hibrid alami. Materi ini menggabungkan programabilitas molekul sintetik mirip protein dengan kompleksitas nanocluster berbasis silikat untuk menciptakan kelas baru kristal nano yang sangat kuat. Mereka kemudian memprogram bahan hibrida 2D ini untuk menciptakan sistem pemanenan cahaya buatan yang sangat efisien.

“Matahari adalah sumber energi terpenting yang kita miliki,” kata Chen. “Kami ingin melihat apakah kami dapat memprogram kristal nano hibrida kami untuk memanen energi cahaya – seperti yang tumbuhan alami dan bakteri fotosintetik lakukan. Hasil penelitian ini publish pada 14 Mei 2021 di Science Advances.

Meskipun jenis bahan yang terstruktur secara hierarkis ini sangat sulit dibuat, tim ilmuwan menggabungkan pengetahuan mereka untuk mensintesis molekul yang ditentukan urutan yang mampu membentuk pengaturan seperti itu.

Pertama, para peneliti menciptakan struktur mirip protein yang disebut peptoid, dan menempelkan struktur mirip sangkar berbasis silikat yang tepat (disingkat POSS) ke salah satu ujungnya. Mereka kemudian menemukan bahwa dalam kondisi yang tepat, mereka dapat menginduksi molekul-molekul ini untuk berkumpul sendiri menjadi kristal berbentuk nanosheet 2D yang sempurna. Ini menciptakan lapisan lain dari kompleksitas mirip membran sel yang mirip dengan yang terlihat pada struktur hierarki alami sambil mempertahankan stabilitas tinggi dan meningkatkan sifat mekanik dari masing-masing molekul.

Merancang bahan yang terinspirasi dari bio

Setelah tim berhasil membuat kristal nano peptoid POS dan mendemonstrasikan properti unik mereka termasuk kemampuan program yang tinggi, mereka kemudian mulai mengeksploitasi properti ini. Mereka memprogram materi untuk memasukkan kelompok fungsional khusus di lokasi tertentu dan jarak antarmolekul. Karena nanocrystals ini menggabungkan kekuatan dan stabilitas POSS dengan variabilitas blok penyusun peptoid, kemungkinan pemrograman tidak terbatas.

Sekali lagi mencari inspirasi dari alam, para ilmuwan menciptakan sistem yang dapat menangkap energi cahaya seperti halnya pigmen pada tumbuhan. Mereka menambahkan pasangan molekul “donor” khusus dan struktur seperti sangkar yang dapat mengikat molekul “akseptor” di lokasi yang tepat di dalam kristal nano. Molekul donor menyerap cahaya pada panjang gelombang tertentu dan mentransfer energi cahaya ke molekul akseptor.

Molekul akseptor kemudian memancarkan cahaya pada panjang gelombang yang berbeda. Sistem ini menunjukkan efisiensi transfer energi lebih dari 96%, menjadikannya salah satu sistem pemanen cahaya berair yang paling efisien dari jenisnya yang dilaporkan sejauh ini.

Peptoid POSS untuk pemanenan cahaya

Untuk menunjukkan penggunaan sistem ini, para peneliti kemudian memasukkan nanocrystals ke dalam sel manusia hidup sebagai probe biokompatibel untuk pencitraan sel hidup. Ketika cahaya dengan warna tertentu menyinari sel dan molekul akseptor hadir, sel memancarkan cahaya dengan warna berbeda. Ketika molekul akseptor tidak ada, perubahan warna tidak diamati. Meskipun sejauh ini tim hanya mendemonstrasikan kegunaan sistem ini untuk pencitraan sel hidup. Namun sifat dan kemampuan program yang tinggi dari materi hibrid 2D ini membuat mereka percaya bahwa ini adalah salah satu dari banyak aplikasi.

“Meskipun penelitian ini masih dalam tahap awal. Fitur struktur unik dan transfer energi tinggi dari nanocrystals POSS-peptoid 2D memiliki potensi untuk diterapkan pada banyak sistem yang berbeda, dari fotovoltaik hingga fotokatalisis,” kata Chen. Dia dan rekan-rekannya akan terus mencari jalan untuk penerapan material hybrid baru ini.

Demikian artikel Ilmuan Duplikasi Kemampuan Fotosintesis Tumbuhan. Semoga bermanfaat!

Jurnal Referensi:

• Mingming Wang, Shuai Zhang, Xin Zhang, Yang Song, Xiaoli Cai, Yuehe Lin, James J. De Yoreo, Chun-Long Chen. 2021. Programmable two-dimensional nanocrystals assembled from POSS-containing peptoids as efficient artificial light-harvesting systems. Science Advances, 2021; 7 (20): eabg1448 DOI: 10.1126/sciadv.abg1448