Lyhörd laser slår anden rätta strängen
Pulser av laserljus kan få molekyler att reagera på sätt som är omöjliga med klassisk provrörskemi. Molekyler vibrerar och varje molekyl har sitt eget ”tonläge”, sin egen ”melodi”. Det gäller att finna en nyckel, och det kan en ”smart” laser göra. Den kan söka sig fram till rätt tonläge. I ett nytt nummer av den ansedda vetenskapliga tidskriften Nature visas hur man med en sådan laser kan kontrollera fotosyntesmolekyler som samlar in ljus. Det är första gången detta konststycke utförs med så stora och komplicerade molekyler. En del av arbetet har utförts vid Kemicentrum på Lunds universitet.
Det experimentella arbetet har gjorts vid Max Planck Institut für Quantenoptik i Garching, Tyskland och även forskare vid University of Glasgow och holländska Vrije Universiteit har medverkat. Den forskare som arbetat med projektet i Lund är dr Jennifer L Herek. I Lund har man i många år forskat för att förstå hur fotosyntesen – processen när växter omvandlar solljus och koldioxid till energi – fungerar på molekylär nivå. Bland annat hoppas man att i framtiden kunna utnyttja en konstgjord version av fotosyntesen för energiproduktion.
– Vi använde oss i våra experiment av ett komplex av antennmolekyler, pigment som fångar upp ljuset och skickar dent vidare till ett reaktionscentrum. Utan all den kunskap som genom åren samlats i Lund om detta komplex hade uppgiften varit omöjlig. Man kunde ha gissat sig fram med oddsen en på en miljon att hamna rätt, säger Jennifer Herek.
Det är i dag möjligt att studera mycket snabba kemiska förlopp med hjälp av lasrar. På avd f kemisk fysik kan man t ex starta en kemisk reaktion med en laserpuls och sedan skicka en ny puls som återkastas med information om vad som har hänt. Tekniken har vidareutvecklats av den tyska forskargrupp som ingår i projektet och som leds av dr Marcus Motzkus. Man kan under en oerhört kort tidrymd skickar flera pulser. En puls registrerar vad som händer; en annan ändrar förloppet i den pågående reaktionen.
När lasern på detta sätt får en återkoppling på vad den har gjort kan den anpassa sina pulser efter resultatet och söka efter en optimal puls, pulsen som ska åstadkomma den önskade reaktionen hos molekylen. Lasern har med andra ord blivit ”smart”. Den är kopplad till ett datorprogram som innehåller en s k evolutionsalgoritm. Den ena pulsen efter den andra genereras. De ”bäst lämpade” överlever och blir ”föräldrageneration” till nästa serie av pulser. Det liknar alltså den biologiska evolutionen. Färgsammansättning, amplitud, tid – en mängd olika parametrar kan förändras och slutresultatet kan bli en hel serie av olikformade pulser i en viss ordning.
För att visa att det är möjligt att styra reaktioner i komplicerade molekyler måste man välja något som kan mätas i kvantifierbara termer. Jennifer Herek berättar:
– Vi har arbetat med ett antennkomplex i en purpurbakterie som använder sig av fotosyntes. Ljuset fångas upp av karotenoidmolekyler och transporteras vidare till klorofyllmolekylerna. På vägen går hälften av energin förlorad. Av tekniska skäl valde vi den här gången att ”försämra” naturen, inte ”förbättra” den. Vi försökte med laserns hjälp försämra just denna överföring ytterligare. Den blev 30 % sämre. Vi kunde också visa att det just var dessa molekyler vi påverkat och inget annat. Efter att ha förenklat det effektiva tåget av pulser kunde visa att det var så genom att fasförskjuta det elektriska fältet hos närliggande pulser i tåget.
– Det har varit en länge närd dröm hos oss kemister att kunna styra en reaktion utan de begränsningar som man måste foga sig efter när man låter två eller flera substanser reagera med varandra, säger professor Villy Sundström vid avd för kemisk fysik. Med denna nya metod kan vi lära oss ännu mer om hur fotosyntesen fungerar och på sikt också utnyttja kunskaperna för att åstadkomma artificiell fotosyntes.
Kontaktinformation
För mera information kontakta dr Jennifer L Herek som nu finns vid AMOLF Institute i Amsterdam J.Herek@amolf.nl eller professor Villy Sundström, tel 046-222 46 90, e-post Villy.Sundstrom@chemphys.lu.se Ytterligare information om projektet finns på http://www.mpq.mpg.de/lachem/reaction-dynamics/research/LH2/LH2project.html
