Растения, водоросли и цианобактерии (сине-зеленые водоросли) — мастера по части использования солнечной энергии, ибо умеют уловленный свет почти полностью превращать в энергию. Это происходит, в том числе, благодаря тому, что высвобожденные фотонами электроны практически в полном составе выводятся из фоторецептора, после чего служат «заводной пружиной» для химических реакций в организме растения. Японские ученые из Национального института передовой промышленной науки и технологии, Токийского университета и Университета Сидзуока придумали, как улавливать и использовать свет с практически такой же эффективностью, о чем рассказали в журнале Angewandte Chemie. Для этого они присоединили молекулярную проволочку непосредственно к биологической фотосинтетической системе, чтобы по этой проволочке отправить высвобожденные электроны на золотой электрод.

КПД фотогальванического преобразования энергии имеет для гелиоустановок решающее значение. Теоретически на один принятый фотон может приходиться один высвобожденный электрон. В то время как эффективность сегодняшних солнечных элементов еще далека от таких значений, природные фотосинтетические системы демонстрируют практически стопроцентную квантовую отдачу. Для того чтобы повысить эффективность искусственных систем, предпринимаются попытки покрывать приемники тонким слоем из биологических фоторецепторов. Тем не менее, транспорт электронов из светочувствительного слоя в электрическую цепь в таких системах настолько неэффективен, что большинство электронов до цели, то есть до электрода, просто не доходит.

Тайна успеха природных фотосистем заключается в удивительно точном сопряжении отдельных компонентов. Молекулы будто подогнаны друг под друга — как в штекерном соединении, благодаря чему электроны передаются напрямую и почти без потерь. В своей новой разработке японские ученые соединили замысловатую фотосистему I (PS I) сине-зеленой водоросли Thermosynechococcus elongatus с искусственно созданной периферией. Важным звеном в цепочке переноса электронов в PS I является витамин K1. Исследователи удалили этот витамин из протеинового комплекса PS I и заменили его рукотворным аналогом. Этот аналог составляют три части: 1) такой же молекулярный «штепсель», которым витамин K1 присоединяется к протеиновому комплексу (нафтохиноновая группа), используется для «втыкания» искусственного соединительного элемента в PS I (как вилка в разъем); 2) молекулярная проволочка (углеводородная цепь) той же длины, что и витамин K1, которая обеспечивает выступание соединительного элемента из протеинового комплекса; 3) на другом конце проволочки находится дополнительная «вилка» (электрохромная виологеновая группа), которая закрепляет весь комплекс на покрытом специальным составом золотом электроде. Высвобождающиеся в PS I под воздействием света электроны направляются по проволочке к виологеновой группе, которая чрезвычайно эффективно переносит их на золотой электрод.

Японские ученые полагают, что применение подобной технологии может позволить другим биокомпонентам также стать основой для тех или иных искусственных систем.