光合作用是植物，藻类和一些细菌物种进行的自然过程，它将太阳能转化为化学能并维持地球上的大部分生命。长期以来，研究人员一直在寻求光合作用的灵感来开发新材料，以利用太阳能为电力和燃料生产。

在向合成太阳能转换系统迈出的一步中，ORNL研究人员已经通过小角度中子散射分析证明并证实，光捕获复合物II(LHC-II)蛋白可以与聚合物自组装成合成膜结构并产生氢。

研究人员设想产生能量的光转换系统类似于产生氢燃料的光伏电池，与植物和其他光合生物将光转化为能量的方式相当。

“制作一个自修复的合成光转换系统是一个非常高的顺序。控制这些材料的结构和顺序以进行自我修复的能力是令人感兴趣的，因为随着系统的退化，它失去了它的有效性，”ORNL研究员HughO该实验室结构分子生物学中心的Neill说。

“这是我们在文献中发现的改变合成聚合物相行为的蛋白质的第一个例子。这一发现可用于在未来的太阳能转换系统中引入自修复机制，”他说。

在ORNL的高通量同位素反应器(HFIR)上进行的小角度中子散射分析表明，当LHC-II引入含有聚合物的液体环境时，它与聚合物相互作用形成类似于天然光合膜中发现的层状片。

LHC-II迫使结构聚合物组装成有序的分层状态的能力-而不是在无效的糊状物中萎缩-可能使生物混合光转换系统的发展成为可能。这些系统由高表面积，光收集窗格组成，这些窗格使用蛋白质与铂等催化剂结合，将太阳光转化为氢气，可用作燃料。

该研究建立在先前ORNL对铂化光系统I复合物的能量转换能力的研究的基础上-以及基于植物生物化学的合成系统如何成为全球能源挑战解决方案的一部分。

“我们正在光合作用研究的基础上探索生物混合系统中自组装的发展。中子研究为我们提供了直接的证据，证明这种情况正在发生，”奥尼尔说。

研究人员通过HFIR的Bio-SANS分析证实了这些蛋白质的结构行为，这是一种专门用于分析生物分子材料的小角度中子散射仪。

“冷源”中子，其中能量通过低温冷却氢气去除，是研究生物组织和聚合物分子结构的理想选择。

用于实验的LHC-II蛋白源自简单来源：从局部产物部分获得的菠菜，然后加工以将LHC-II蛋白质与其他细胞组分分离。最终，蛋白质可以合成产生并优化以响应光。

奥尼尔说，LHC-II蛋白的主要作用是作为太阳能集热器，吸收阳光并将其转移到光合作用反应中心，从而最大限度地提高其产量。“然而，这项研究表明，LHC-II还可以进行电子转移反应，这一反应在体内尚未发生，”他说。

该研究团队来自各种实验室组织，包括其化学科学部，中子散射科学部，结构分子生物学中心和纳米材料科学中心，由奥尼尔，威廉T.海勒和昆仑洪组成，所有的ORNL;田纳西大学的DimitrySmolensky;和MateusCardoso，现任巴西LaboratioNacionaldeLuzSincrotron的ORNL博士后研究员。

“这是在国家实验室工作的好处之一。专业知识可以从各种组织获得，”奥尼尔说。