一项新的研究揭示了硅藻的玻璃状外壳如何帮助这些微观生物在昏暗的条件下进行光合作用。更好地了解这些浮游植物如何收获光并与光相互作用可以改进太阳能电池、传感设备和光学元件。

“我们开发的计算模型和工具包可以为大规模制造、可持续的光学设备和更高效的基于硅藻壳的光收集工具铺平道路，”来自加拿大麦吉尔大学的研究小组成员圣地亚哥伯纳尔说。“这可以用于传感的仿生设备、新的电信技术或制造清洁能源的负担得起的方法。”

硅藻是在大多数水体中发现的单细胞生物。它们的壳上布满了孔洞，这些孔洞根据它们的大小、间距和配置对光线做出不同的反应。在OpticalMaterialsExpress期刊中，由麦吉尔大学的DavidV.Plant和MarkAndrews领导的研究人员报告了对整个硅藻壳的首次光学研究。他们分析了壳的不同部分或frustule对阳光的反应以及这种反应与光合作用的关系。

“根据我们的发现，我们估计frustule可以促进光合作用9.83%，特别是在从高日照到低日照的过渡期间，”该论文的第一作者YannickD'Mello说。“我们的模型是第一个解释整个frustule的光学行为的模型。因此，它有助于假设frustule增强硅藻的光合作用。”

结合显微镜和模拟

硅藻已经进化了数百万年，可以在任何水生环境中生存。这包括它们的外壳，外壳由许多共同作用以获取阳光的区域组成。为了研究硅藻壳的光学响应，研究人员将计算机光学模拟与几种显微技术相结合。

研究人员首先使用四种高分辨率显微镜技术对硅藻壳的结构进行成像：扫描近场光学显微镜、原子力显微镜、扫描电子显微镜和暗场显微镜。然后，他们使用这些图像为他们构建的一系列模型提供信息，这些模型通过3D模拟来分析frustule的每个部分。

使用这些模拟，研究人员检查了不同颜色的阳光如何与结构相互作用，并确定了三种主要的太阳能收集机制：捕获、再分配和保留。这种方法使他们能够结合frustule的不同光学方面，并展示它们如何协同工作以帮助光合作用。

“我们使用不同的模拟和显微镜技术来分别检查每个组件，”D'Mello说。“然后我们使用这些数据来研究光如何与结构相互作用，从它被捕获的那一刻起，到它之后分布的位置，它保留多长时间，直到它可能被细胞吸收的那一刻”

促进光合作用

该研究表明，壳相互作用的波长与光合作用期间吸收的波长一致，表明它可能已经进化以帮助捕获阳光。研究人员还发现，frustule的不同区域可以重新分配光以在整个细胞中被吸收。这表明外壳进化为最大限度地暴露细胞对环境光的暴露。他们的发现还表明，在从高照度到低照度的过渡期间，光在硅藻壳内循环的时间足以帮助光合作用。

新的frustule模型可以培养收获不同波长光的硅藻物种，从而使它们能够针对特定应用进行定制。“硅藻的这些光收集机制可用于通过允许以更多角度收集阳光来改善太阳能电池板的吸收，从而部分消除面板直接面对太阳的依赖性，”Bernal说。

研究人员现在正在努力改进他们的模型，并计划应用他们的新工具包来研究其他种类的硅藻。之后，他们计划将模型扩展到单个硅藻壳内的光相互作用之外，以检查多个硅藻壳之间的行为。

研究人员指出，这项工作是为了纪念去年去世的同事DanPetrescu。没有他的洞察力、帮助和奉献精神，这项研究是不可能完成的。