Vrije Universiteit Amsterdam
Informatie voor de pers. Vrije Universiteit Amsterdam.
27/05/2002
---
020 4447935
Slimme laserpulsen ontdekken de optimale melodie
Onderzoekster dr. Jennifer Herek, van de afdeling Biofysica van de
Vrije Universiteit, beschrijft op donderdag 30 mei in het tijdschrift
Nature een unieke methode om de efficiëntie van de omzetting van licht
in bruikbare biologische energie in de fotosynthese te manipuleren.
Speciale femtoseconde laserpulsen (1 fs = 10^-15 s), gemaakt in een
daartoe ontworpen lichtmodulator, sturen de ultrasnelle moleculaire
processen die volgen op de absorptie van licht in een
licht-absorberend eiwit dat een belangrijke rol speelt bij de
fotosynthese.
Fotosynthese is het proces waarmee planten de energie van licht
omzetten in chemische energie noodzakelijk voor hun groei. De eerste
stap in dit proces is de absorptie van zonlicht door zogeheten
licht-oogstende pigmenten: carotenen en bladgroen. Zulke pigmenten
geven de geabsorbeerde energie vervolgens razendsnel, in minder dan
een paar picoseconden (10^-12 s), door van pigment naar pigment, en
uiteindelijk zetten ze de energie om in een elektrisch
spanningsverschil. Echter, tijdens dit proces gaat soms 50 procent van
de energie verloren als warmte. Om deze energieoverdracht in de
fotosynthese te onderzoeken maakt de afdeling Biofysica van het Laser
Centrum van de VU gebruik van femtoseconde lasers die in staat zijn
ultrakorte lichtpulsen af te vuren.
Herek en haar collega"s van de Universiteit van Glasgow en het Max
Planck Instituut voor Quantum Optica in Garching hebben nu voor het
eerst aangetoond dat de efficiëntie van dit proces ook gemanipuleerd
kan worden met behulp van licht. Daartoe hebben zij speciale
femtoseconde lichtpulsen ontworpen. Femtoseconde lichtpulsen zijn
opgebouwd uit een palet van kleuren; in een ´normale´ puls arriveren
die allemaal netjes tegelijkertijd. Maar de diverse kleuren kunnen ook
anders worden gemengd. Vergelijk het met een kerkorgel waar de
verschillende pijpen allemaal een andere toon aanslaan. De organist
bepaalt via zijn toetsen welke pijp wanneer wordt aangeblazen, en
vormt zo de muziek.
De onderzoekers maakten van de femtoseconde laserpuls een
"lichtmelodie" door het licht door een lichtmodulator te sturen. Deze
beïnvloedt de volgorde en intensiteit van de afzonderlijke kleuren.
Herek en haar collega"s stelden vervolgens vast hoeveel van de zo
afgevuurde lichtenergie succesvol werd doorgegeven of verloren ging
als warmte. Dit resultaat werd vervolgens in een terugkoppel-lus
gebruikt om de lichtmodulator anders in te stellen waardoor die een
iets andere laserpuls, ofwel een iets andere lichtmelodie, afvuurde op
het biologische pigmentmolecuul. De onderzoekers maten vervolgens het
effect van de nieuwe laserpuls op de energieoverdracht, en zo vonden
ze in een interactieve procedure de optimale lichtpuls. Het speciale
van dit experiment is dat het licht-oogstende eiwit zelf de organist
is die via de terugkoppeling de lichtmelodie componeert en ´hoort´ of
het goed klinkt.
Het experiment, uitgevoerd in Garching, liet zien dat de speciale
lichtpulsen de energieoverdracht in het licht-oogstende systeem wel
minder efficiënt konden maken. Er zijn nog geen lichtpulsen gevonden
die efficiënter waren dan de natuur zelf, oftewel zonlicht. Dit
inzicht draagt bij aan ons begrip van energieoverdracht en is van
groot belang in de speurtocht naar efficiëntere licht-oogstende
pigmenten die toegepast kunnen worden in kunstmatige fotosynthese.