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如果有5個能量轉換步驟，每一步的能量轉換效率都是90％，那么總體能量轉換效率就是0.9 × 0.9 × 0.9 × 0.9 × 0.9 = 0.59。
試圖模仿的光合作用系統，見于植物和一些細菌中，科學家們已經邁出了一步，開發出一種人工捕光系統（LHS：light-harvesting system），可以滿足這種系統的關鍵要求之一：約100％的能量轉移效率。對于開發有益的人工捕光系統而言，雖然高能量轉換效率只是一個組成部分，但是，這一成就可能帶來清潔太陽能燃料技術，把陽光轉換成化學燃料。
 運用“大小匹配效果，”把卟啉染料（porphyrin dye）分子排列在粘土表面，研究人員展示了大約100％的能量轉換效率，這是一個重要的條件，可用于設計高效人工捕光系統。 來源：美國化學學會 |
研究人員中，領導是紳助高木（Shinsuke Takagi），他來自東京都立大學（Tokyo Metropolitan University）和日本科學技術局（Japan Science and Technology Agency）胚胎科技前沿研究部（PRESTO：Precursory Research for Embryonic Science and Technology），他們已經發表了他們的研究作品，探討人工捕光系統，就在最近一期的《美國化學學會雜志》（Journal of the American Chemical Society）上。
“為了制成人工捕光系統，差不多必須有100％的高效率，”高木說。“因為捕光系統的能量轉換由許多步驟組成，如果每一步的能量轉換效率都是90％，那么總體能量轉換效率就會變低。例如，如果有5個能量轉換步驟，總體能量轉換效率就是0.9 × 0.9 × 0.9 × 0.9 × 0.9 = 0.59。這樣，有效的能量轉換反應就起著重要作用，可以實現高效的日光采集，用于人工捕光系統。”
研究人員在他們的研究中解釋，自然捕光系統，就像在紫細菌或植物葉子中的那些，都包含規則排列的分子，可有效地收集陽光，把激發的能量傳遞到系統的反應中心。人工捕光系統的（或“人工樹葉”）嘗試要做同樣的事情，使用的是功能性染料分子。
在前人研究成果的基礎上，科學家們選擇使用兩種類型的卟啉染料分子，以達到這個目的，這些分子他們排列在粘土表面。分子在粘土表面傾向于聚集或分隔，這是具有挑戰性的，因為研究人員要排列這些分子，形成規則的模式，就像它們的自然對應物一樣。
“一種分子排列要具有適當的分子間距，這很重要，因為要達到近100％的能量轉換效率，”高木說。“如果分子間的距離太近，其他反應如電子轉移和光化學反應就會發生。如果分子間的距離太遠，鈍化的興奮染料就會超過能量轉換反應。”
為了達到適當的分子間距，科學家們開發出一種新的制備工藝，就是使卟啉分子中的帶電荷基（charged sites）之間的距離，匹配粘土表面帶負電荷（陰離子）基（negatively charged [anionic]sites）之間的距離。這種效果，研究人員稱之為“大小匹配規則”，有助于抑制一些主要因素，就是使卟啉分子傾向于聚集或分隔的因素，并把分子固定在合適均勻的分子間距中。高木解釋說，在形成分子模式時，這一策略顯著不同于其他方法。
“這一方法是獨一無二的，”他說。“在通常自組裝系統的情況下，形成這種排列，就需要客-客體相互作用（guest-guest interactions）。在我們的系統中，主客體相互作用（host-guest interactions）發揮了至關重要的作用，可實現特殊的染料排列。因此，通過改變主體材料，就可以控制粘土表面的染料分子排列。”
正如研究人員證明，規則排列的分子帶來的激發能量轉移效率高達100％。結果表明，卟啉染料分子和粘土主體材料看起來像是一種有希望的候選材料，可用于人工捕光系統。
“目前，我們的系統只包含兩種染料，”高木說。“下一步，必須結合幾種染料來吸收所有陽光。我們系統的特征點之一，是很容易同時使用幾種染料。因此，我們的系統是一種有希望的候選材料，可用于實際的捕光系統，利用所有的陽光。我們相信，即使是光化學反應部分，也可以結合在相同的粘土表面。如果這個系統制成了，結合光化學反應中心，這種系統就可以被稱為“無機葉”。
更多信息：《高效激發能量轉移反應用粘土/卟啉混合物制備人工捕光系統》（Efficient Excited Energy Transfer Reaction in Clay/Porphyrin Complex toward an Artificial Light-Harvesting System）。”《美國化學學會雜志》
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