शोधकर्ता अक्सर प्रकाश संश्लेषण को – एक ऐसी प्रक्रिया जो सूर्य के प्रकाश को पौधों और बैक्टीरिया में रासायनिक ऊर्जा में बदल देती है – को नवाचार के लिए एक मॉडल के रूप में देखते हैं। प्रकाश संश्लेषण बदले में क्लोरोफिल पिगमेंट, छोटे हरे अणुओं से जुड़ा होता है जो प्रकाश संचयन में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। स्वाभाविक रूप से, इन क्लोरोफिल अणुओं को पौधों और बैक्टीरिया में प्रकाश अवशोषण को अनुकूलित करने और ऊर्जा के लिए सूर्य के प्रकाश को कुशलता से पकड़ने के लिए सटीक संरचनाओं में व्यवस्थित किया जाता है। इस प्राकृतिक संरचना से प्रेरित होकर, वैज्ञानिकों ने ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स और नवीकरणीय ऊर्जा में अनुप्रयोगों के लिए क्लोरोफिल-आधारित संरचनाओं को कृत्रिम रूप से इकट्ठा करने के तरीकों की खोज की है।
जापान में चिबा विश्वविद्यालय के ग्रेजुएट स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग के प्रोफेसर शिकी यागाई और श्री रियो कुडो के नेतृत्व में हाल ही में शोधकर्ताओं की एक टीम के साथ किए गए एक अध्ययन से पता चला है कि कैसे क्लोरोफिल जैसे अणुओं को संशोधित करने से उन्हें अलग संरचनात्मक व्यवस्था बनाने के लिए निर्देशित किया जा सकता है, जो अंतर्दृष्टि प्रदान करता है। जो सिंथेटिक प्रकाश-संचयन सामग्री को बदल सकता है। अध्ययन के खंड 11, अंक 22 में प्रकाशित किया गया था ऑर्गेनिक केमिस्ट्री फ्रंटियर्स 08 अक्टूबर 2024 को.
“प्रकाश संश्लेषक बैक्टीरिया अत्यधिक संगठित क्लोरोफिल सरणियों का उपयोग करते हैं, जिससे उन्हें कम रोशनी की स्थिति में भी प्रकाश पकड़ने की अनुमति मिलती है। हमारा लक्ष्य समान सिंथेटिक आणविक डिजाइन के आधार पर इन संरचनाओं को फिर से बनाना है, क्योंकि उनके फोटोफिजिकल गुणों की तुलना करने से हमें यह समझने में मदद मिल सकती है कि ऐसी संरचनाओं का चयन क्यों किया गया था प्रोफेसर यागाई बताते हैं, “प्रकृति में विकास का क्रम।” इन संरचनाओं को बनाने के लिए, टीम ने हाइड्रोजन बॉन्डिंग के माध्यम से एक बार्बिट्यूरिक एसिड इकाई को जोड़कर क्लोरोफिल अणु को संशोधित किया और स्थिर रोसेट-जैसे छल्ले बनाने और उनके पदानुक्रमित स्टैकिंग को नियंत्रित करने के लिए “डेंड्रोन” नामक पेड़ जैसी आणविक संरचनाओं को जोड़ा।
जब संशोधित क्लोरोफिल को विभिन्न विलायकों में घोला गया, तो क्लोरोफिल रोसेट्स ने एक उल्लेखनीय व्यवहार प्रदर्शित किया। मिथाइलसाइक्लोहेक्सेन जैसे गैर-ध्रुवीय विलायक में, दूसरी पीढ़ी के छोटे डेंड्रोन वाले क्लोरोफिल डेरिवेटिव को हेलिकल फाइबर में जमा किया गया था, जबकि भारी, तीसरी पीढ़ी के डेंड्रोन वाले लोग छोटे, डिस्क के आकार के समुच्चय में बने रहे। वे प्रकाश संश्लेषक बैक्टीरिया में देखी जाने वाली गोलाकार और ट्यूबलर व्यवस्था की नकल करते हुए, क्लोरोफिल अणुओं को दो अलग-अलग रूपों में इकट्ठा कर सकते हैं, अर्थात् स्तंभ ढेर और असतत समुच्चय। इसके विपरीत, जब क्लोरोफॉर्म में घुलते हैं, तो दोनों क्लोरोफिल डेरिवेटिव रोसेट पैटर्न बनाते हैं।
परमाणु बल माइक्रोस्कोपी, ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी और छोटे-कोण एक्स-रे स्कैटरिंग जैसी उन्नत इमेजिंग तकनीकों का उपयोग करते हुए, टीम ने इन सिंथेटिक क्लोरोफिल असेंबली के अद्वितीय आकार और व्यवस्था पैटर्न की विशेषता बताई। उन्होंने पाया कि दूसरी पीढ़ी के डेंड्रोन क्लोरोफिल द्वारा निर्मित पेचदार फाइबर ने एक उच्च क्रम वाली संरचना प्रदर्शित की, जबकि तीसरी पीढ़ी के डेंड्रोन क्लोरोफिल ने अधिक सजातीय, गोलाकार आकार प्रदर्शित किया।
प्रोफेसर यागाई टिप्पणी करते हैं, “हमारे निष्कर्ष बताते हैं कि आणविक डिजाइन में सूक्ष्म समायोजन से क्लोरोफिल की अंतिम एकत्रित संरचना में महत्वपूर्ण अंतर हो सकता है, जिसका उपयोग विशिष्ट प्रकाश-संचयन गुणों वाली सामग्री बनाने के लिए किया जा सकता है।” “आण्विक स्व-संयोजन को नियंत्रित करने की ये अंतर्दृष्टि कार्यात्मक सामग्री विज्ञान में सफलताओं को प्रज्वलित कर सकती है। हम ऐसी सामग्री बनाने की क्षमता से रोमांचित हैं जो न केवल नकल करती है बल्कि प्राकृतिक प्रकाश संश्लेषक प्रणालियों की क्षमताओं को पार करती है।”
इस प्रकार अध्ययन में क्लोरोफिल जैसी संरचनाओं के संयोजन को सावधानीपूर्वक ठीक करके प्रकाश-संचयन सामग्री को संश्लेषित करने की कई संभावनाओं का खुलासा किया गया है। विशेष रूप से, प्रोफेसर यागाई की टीम ऐसी सामग्री तैयार करने की आकांक्षा रखती है जो दक्षता और अनुकूलनशीलता दोनों में प्राकृतिक सामग्रियों की नकल कर सके और उनसे भी आगे निकल सके। सौर ऊर्जा संचयन, उन्नत सेंसर और सटीक प्रकाश अवशोषण और ऊर्जा हस्तांतरण पर निर्भर अन्य प्रौद्योगिकियों में आशाजनक अनुप्रयोगों के साथ, ये नवाचार संभावित रूप से क्षेत्र में क्रांति ला सकते हैं और टिकाऊ ऊर्जा और उससे आगे की संभावनाओं को फिर से परिभाषित कर सकते हैं।
