人造光收成方法達到 100% 的能量轉移效率

2011/09/05 |

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在一次仿效可在植物與某些細菌中發現的光合作用系統的嘗試裡，科學家在開發人造光收成系統（light-harvesting system，LHS）上，已向前跨出一步，該系統符合一項關鍵需求︰近乎 100% 的能量轉移效率（energy transfer efficiency）。在一套有用的人造 LHS 的開發上，雖然高能量轉移效率只是元件之一，不過，這項成就能導致乾淨的太陽燃料（solar-fuel）技術，那將日光轉換成化學燃料。

這些研究者，由來自東京都立大學（Tokyo Metropolitan University）的高木慎介（Shinsuke Takagi）以及科學技術振興機構（Japan Science and Technology Agency，JST）的 PRESTO 計畫領導，已將他們邁向人造 LHS 的研究發表在最近一期的 Journal of the American Chemical Society 期刊上。

“為了要實驗一套人造光收成系統，近乎 100% 的能量轉移效率是必要的，" 高木表示。"因為光收成系統由許多能量轉移步驟組成，如果每一步驟的能量轉移效率為 90%，那麼，總能量轉移效率就會變低。例如，如果這有五個能量轉移步驟，那麼總能量轉移為︰0.9 x 0.9 x 0.9 x 0.9 x 0.9 = 0.59。那麼，在為人造光收成系統實現高效能日光收集上，一套高效能能量轉移反應扮演著一個重要的角色。"

如同研究者在其研究中的解釋，天然的 LHS（如那些在紫色細菌或植物葉子中的系統）是由分子的規律排列所組成，那有效地收集日光並將激發能（ excitation energy）攜往該系統的反應中心。一套人造 LHS（或稱「人造葉子」）試圖藉由利用功能性染料分子（functional dye molecules），辦到相同的事。

建立在先前研究的結果之上，科學家們為此目的，選擇使用二種紫質（ porphyrin）染料分子，將其排列在陶磁表面上。這些分子易於在陶磁表面上聚集（aggregate）或分散（segregate），這對於要將這些分子以規律方式，如其天然的相似物那樣排列的科學家來說，構成了挑戰。

“分子以一適當的分子間（intermolecular）距離排列，對於達成近乎 100% 的能量轉移效率而言很重要，" 高木表示。"如果分子間距離太近，將會發生其他反應，諸如電子轉移和／或光化學反應。如果分子間距離太遠，激發染料的活性消失，會抑制能量轉移系統。"

為了要達到適當的分子間距離，科學家們開發出一套新穎的製備技術，那能匹配（matching）紫質分子中帶電位置（charged sites）之間的距離，以及陶磁表面上帶負電（陰離子）位置之間的距離。此效應，研究者們稱之為「尺寸匹配法則（Size-Matching Rule）」，協助抑制促成紫質分子易於聚集或分散的主因，並使分子固定在一適當的單一（uniform）分子間距離。如高木的解釋，這種策略顯然不同於其他達成分子圖樣（molecular patterns）的嘗試。

“這種方法學很獨特，" 他說。"在一般自我組裝系統的例子中，排列是透過客體–客體交互作用（guest-guest interactions）來體現。在我們的系統中，主體–客體交互作用（host-guest interactions）在實現染料的特殊排列上，扮演著一個關鍵性的角色。因此，藉由改變主體材料，要控制染料在陶磁表面上的分子排列是有可能的。"

如研究者的示範，分子的規律排列導致激發能轉移效率接近 100%。這些結果指出，紫質染料分子與陶瓷主體材料對於人造 LHS 而言，看起來是大有可為的候選者。

“目前，我們的系統只包含二種染料，" 高木表示。"下一步，結合數種染料以吸收所有的日光是必要的。我們系統的特徵點之一是，可輕易地同時使用數種染料。因此，我們的系統對一套真正的、能運用所有日光的光收成系統來說，是一個有前途的候選者。我們相信，即使是光化學反應部份，都能被結合到相同的陶瓷表面。如果這套系統被實現了，而且與光化學反應中心結合，那麼這套系統就能被稱為「無機葉子（inorganic leaf）」。"

資料來源：physorg: Artificial light-harvesting method achieves 100% energy transfer efficiency [September 1, 2011 ]

原刊載於 only-perception