在光合细菌中重建天然光捕获纳米环

地球生命形式可用的几乎所有化学能都可以追溯到太阳。这是因为光捕获(LH)超分子(两个或多个分子通过分子间力结合在一起)使植物和某些类型的细菌(通常在食物链的底部)能够利用阳光来驱动光合作用。为了使这些超分子有效，它们需要具有多种色素，例如叶绿素，排列在因物种而异的特殊结构中。

例如，绿色光合细菌具有LH天线，其中叶绿素分子形成螺旋结构，而螺旋结构又聚集成大的管状超分子。相比之下，紫色光合细菌，如红杆菌，表现出不同类型的LH天线，其中叶绿素色素排列成环形结构。虽然研究人员已经设法在实验室中用自组装方法重建管状叶绿素聚集体，但到目前为止，它们的环形对应物尚未被人工复制。

在最近发表在《化学通讯》上的一项研究中，来自的一组科学家设法解决了这一知识差距。他们发现，在有机溶剂中将叶绿素衍生物与萘二酰胺混合会导致形成二聚体，这些二聚体自组装成环形结构，每个结构直径为数百纳米。该团队包括立命馆大学的Hitoshi Tamiaki教授和名古屋工业大学的助理教授Shogo Matsubara。

对他们最初的发现感到惊讶，研究小组试图更好地了解环形纳米结构的形成及其性质。在使用原子力显微镜仔细检查后，他们观察到叶绿素二聚体，由萘连接的两个叶绿素单元组成的分子，最初自组装成稳定的波浪状纳米纤维。在50°C下加热这些纳米纤维时，它们分解成更小的纳米环前体，其末端最终连接在一起形成所需的纳米环。

有趣的是，这种纳米纤维-纳米环的转化依赖于外部刺激。观察到温度以及二聚体浓度起着重要作用。Tamiaki教授解释说：“在低浓度下，通过单个纤维超分子的优先端到端连接获得环形聚集体。相比之下，不同纳米纤维之间的端到端连接在较高浓度下普遍存在，并产生了网络纳米结构。

总体而言，这项研究的结果揭示了一种合成LH超分子的直接方法，这种方法长期以来一直困扰着科学家。Matsubara博士对结果感到兴奋，他说：“我们合成的自组装能够有效地吸收阳光以及激发能量迁移和转移。模仿自然界中观察到的叶绿素色素的排列，不仅对于理解自然光合作用至关重要，而且对于为太阳能电池等设备构建人工LH系统也至关重要。

此外，由外部刺激触发的从纳米纤维到纳米环的结构变化有助于实现具有可调性能的新型智能材料。该团队表示，正在对自组装纳米环的光学特性进行进一步研究。

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