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.