The institute
FEMTO's news

Understanding energy transfers during photosynthesis

Using three pigments manipulated by scanning tunneling microscopy, researchers from IPCMS and FEMTO-ST are studying energy transfers between molecules to gain a finer understanding of the photosynthesis mechanism in plants. This work is published in Nature Chemistry.

Photosynthesis allows plants to transform solar energy into chemical energy necessary for their growth. This mechanism is carried out by a complex assembly of organic molecules, the pigments, whose purpose is to collect, transport and transform solar energy. The successive energy transfers are made by jumps between neighboring molecules, but also via collective phenomena, potentially coherent, involving simultaneously a larger number of pigments. To better understand these effects, it is necessary to unravel these pigment assemblies in order to study separately the role of each active unit in photosynthesis. In this study, using a "bottom-up" approach, the researchers use model pigments isolated from each other, which they then reassemble to form the first functional bases capable of reproducing the energy transfer mechanisms involved in photosynthesis.

Three different pigments are thus deposited by evaporation on a surface in very small quantities, in order to have molecules that are far from each other. A scanning tunneling microscope is used to visualize each of the pigments, and then to manipulate them one by one, in order to form structures close to the elementary bricks observed in natural photosynthetic systems. A first pigment, called donor, absorbs an excitation. A second pigment acts as an intermediary which, depending on its nature, increases or reduces the efficiency of the energy transfer. A third pigment, acceptor, transforms this energy into photon. In the experiment, the scanning tunneling microscope is used to emit an electron to generate a local excitation of one of the pigments, which allows to reproduce the mechanism of absorption of a photon by a pigment of the plant. The energy received by the acceptor is converted into photons rather than chemical energy. The reaction is thus a reverse photosynthesis, with the capture of an electron leading to the release of a photon, but the energy transfers take place in the same way.

This approach allows to control the distance and orientation between the pigments with a precision close to the distance between two atoms and the researchers were able to highlight the role played by interactions in the energy transfer mechanism. These interactions are either long range, such as dipole-dipole, or short range, the latter depending on a mechanism, called exchange, specific to quantum physics. This study also shows that, depending on its chemical nature, the intermediate pigment can play a role of active relay of the excitation, amplify the energy transfer between two molecules without directly intervening in the process, or partially block it.

Thus, by using elementary bricks similar to those used by the plant to transport and convert solar energy, the researchers have developed a platform to reproduce the fine mechanisms of photosynthesis and, in the near future, elucidate them.

[[{"fid":"8533","view_mode":"wysiwyg_350w","fields":{"format":"wysiwyg_350w","alignment":"","field_file_image_alt_text[und][0][value]":false,"field_file_image_title_text[und][0][value]":false,"external_url":""},"type":"media","field_deltas":{"2":{"format":"wysiwyg_350w","alignment":"","field_file_image_alt_text[und][0][value]":false,"field_file_image_title_text[und][0][value]":false,"external_url":""}},"attributes":{"class":"media-element file-wysiwyg-350w","data-delta":"2"}}]]

Schematic of the experiment where the tip of a scanning tunneling microscope (in gray) is used to excite an assembly of three pigments close to those involved in plant photosynthesis. The excitation generated in the blue pigment is transferred, sequentially, to the red pigment where the energy is transformed into photon (top). Hyper-resolved fluorescence image of the three pigments (bottom).    (Credit: Guillaume Schull, IPCMS)

 

DOI : 10.1038/s41557-021-00697-z.

Contact at FEMTO-ST : Frédéric Cherioux, CNRS Senior researcher

See the article published on the INP CNRS website

  • Journée de présentation du réseau national des grandes centrales de technologie

    La journée annuelle de présentation du réseau Renatec-Leti se déroule jeudi 20 mars dans chacune des 7 centrales du réseau national RTB. Elle permet de faire le lien entre ceux qui ont des besoins dans le domaine des micro et nanotechnologies (académiques, industriels, PME, start-up) et les ressources technologiques disponibles au sein de ces centrales réparties sur l’ensemble du territoire.
    A Besançon, cette journée est organisée par l’institut FEMTO-ST et se déroule de 10h à 16h dans ses locaux et à la maison des microtechniques.

    Read more
  • Le plein d'hydrogène

    Alors que le problème du rejet des particules fines par les voitures diesel est au cœur des débats, l'utilisation de l'hydrogène comme combustible est une alternative sérieuse et intéressante.
    Mais il reste des freins au développement de l'hydrogène, notamment son stockage. Un stockage qui doit être sûr, fiable, avec des réservoirs qui puissent se remplir et se vider assez vite. À l'Institut FEMTO-ST, David Chapelle et Ali Haidar Zeaiter étudient le stockage de l'hydrogène dans les alliages solides.

    Read more
  • Voyage au centre d'une fibre optique

    Tous les ans, des millions de kilomètres de fibres optiques sont installés dans le monde. Ces longs cheveux de verre permettent de transmettre de très grandes quantités d'informations sous forme de lumière.
    Jean-Charles Beugnot, chercheur à l'Institut FEMTO-ST, utilise les fibres optiques de façon un peu différente. Il modifie les propriétés de la lumière, comme sa couleur. L'un de ses objectifs est de mettre au point des réseaux optiques, plus rapides et plus économiques en énergie.

    Read more
  • Premier rotor nanométrique sur une surface de silicium

    Le groupe Nanoscience de FEMTO-ST, en collaboration avec le CEMES à Toulouse, a réussi à mettre au point le premier rotor nanométrique sur une surface de silicium. La rotation du nano-rotor est induite par la température et elle est observée par microscopie à effet tunnel à température ambiante. Ces résultats sont publiés dans la revue ChemPhysChem. L’éditeur a choisi d’illustrer la couverture intérieure de son numéro de février par une vue artistique représentant la rotation des molécules sur la surface.

    Read more
  • Journée du réseau national des grandes centrales de micro et nanofabrication

    Une journée nationale d’information et d’échange se déroulera le 20 mars prochain, en parallèle dans chacune des grandes centrales du réseau RTB. A Besançon, elle aura lieu de 10h à 16h au sein de la centrale de technologie de FEMTO-ST située à Temis Innovation –Maison des Microtechniques

    Read more
  • 3ème édition du séminaire croisé LMB/ FEMTO-ST

    La troisième édition du séminaire croisé entre le Laboratoire de Mathématiques de Besançon et l'institut FEMTO-ST se déroulera le mardi 18 février prochain dans les locaux de l'UFR-ST

    Read more
  • Inauguration plateforme µROBOTEX

    Dans le cadre de la semaine européenne de la robotique, FEMTO-ST inaugure lundi 25 novembre à 10h dans les locaux de l’ENSMM (Besançon), sa nouvelle plateforme dédiée au développement de projets sur la manipulation et l’assemblage automatisé de micro/nano-composants.
    Ouverte aux partenaires académiques et industriels, cette plateforme de tout premier plan international est aujourd’hui opérationnelle.

    Read more
  • François Bastien auteur de : Sciences exactes ? Les limites de la science

    Physicien de formation, François Bastien a enseigné dans de nombreux domaines : mathématiques, électricité, optique, thermodynamique, physique des vibrations, physique des capteurs, acoustique des solides, informatique, électronique numérique et électrotechnique.

    Read more
  • Electrochemical Components, un ouvrage co-écrit par Marie-Cécile Pera et Daniel Hissel

    Nos besoins en objets électriques nomades sont croissants, et ceci dans une gamme étendue de puissance, allant du téléphone portable au véhicule électrique.
    Cet ouvrage s’intéresse aux moyens de stockage communément utilisés dans des systèmes hybrides, pour des applications stationnaires ou transport. Il s’appuie sur des principes de base de l’électrochimie accessibles avec un bagage minimal de culture scientifique.

    Read more
  • HAPTIQUE : 1er Forum international sur les propriétés sensorielles et tactiles des matériaux

    Les 29 et 30 octobre 2013 se tiendra, dans les locaux de l’ENSMM, le premier forum international Haptique qui a pour objectif de faire le point sur les propriétés sensorielles et tactiles des matériaux.

    Read more