克洛罗菲尔启发的材料

叶绿素是一种自然存在的色素，对光合作用至关重要，可以激发前沿光收集材料的创造。然而，管理这些材料的精确排列面临着重大的挑战。最近的研究表明，整合树状结构——分支的、树状的结构——有助于基于叶绿素的材料的自组装。研究显示，较小的树状体导致堆叠的、纤维状的形态，而较大的树状体则产生球形的叶绿素颗粒，为开发模仿自然光合作用系统的光吸收效率的材料铺平了道路。
研究人员常常从光合作用中获得灵感，这一过程使植物和细菌能够将阳光转换为化学能。这一过程依赖于叶绿素色素，这些微小的绿色分子是光收集的核心。在自然界中，这些叶绿素分子以特定结构组织，以优化光吸收，使植物和细菌能够高效利用阳光作为能源。受到这种自然组织的启发，科学家们正在研究合成方法，以创造适合光电和可再生能源应用的基于叶绿素的结构。

千叶大学工程研究生院的冶井老师和工藤良先生与一支专注的研究团队进行的最近研究，展示了如何通过改变类似叶绿素的分子来影响其形成不同的结构。这项研究于2024年10月8日发表在《有机化学前沿》第11卷第22期，为合成光收集材料的未来提供了宝贵的见解。

冶井教授解释说：“光合细菌使用高度组织化的叶绿素阵列，使它们能够有效捕捉光，即使在昏暗的条件下。我们的目标是使用相同的合成分子设计来复制这些结构。通过比较它们的光物理特性，我们希望了解为什么这种结构在进化中形成。”为了组装这些结构，团队通过氢键结合了巴比妥酸单元，并整合了树状体，以创建稳定的花环状结构并调节其层次排列。

当工程化的叶绿素溶解在各种溶剂中时，叶绿素花环的行为非同寻常。在一种非极性溶剂如甲基环己烷中，具有较小第二代树状体的叶绿素衍生物堆叠成螺旋纤维，而那些具有较大第三代树状体的则形成较小的盘状聚集体。这使得叶绿素分子能够组装成两种不同的配置，类似于光合细菌中发现的圆形和管状排列。相反地，将其溶解在氯仿中则导致这两种叶绿素衍生物都形成花环图案。

研究团队使用原子力显微镜、透射电子显微镜和小角X射线散射等先进成像技术分析这些合成叶绿素组装的独特形状和排列模式。他们发现，第二代树状体叶绿素产生的螺旋纤维显示出高度有序的结构，而第三代树状体叶绿素则呈现出更均匀的球形外观。

冶井教授表示：“我们的结果表明，微小的分子设计调整可以导致叶绿素最终组装的显著变化，这可以被利用来生产具有特定光收集能力的材料。对控制分子自组装的见解可能会在功能材料科学领域引发进展。我们对制作不仅复制而且可能超越自然光合作用系统效率的材料的潜力感到兴奋。”

这项研究揭示了通过仔细操控类似叶绿素的结构合成光收集材料的众多机会。冶井教授的团队旨在开发能模拟甚至超越自然对应物的效率和多功能性的材料。凭借在太阳能收集、先进传感器以及依赖于准确光吸收和能量转移的技术方面的有前景应用，这些创新有潜力在可持续能源和更多领域引发革命。