Die Photosynthese ist eine der wichtigsten “Erfindungen” der Natur. Denn erst durch sie können Pflanzen wachsen und damit die Biomasse aufbauen, die die Basis der irdischen Nahrungsnetze bildet. Doch damit aus Sonnenlicht, Wasser und CO2 energiereiche chemische Zuckerverbindungen und Sauerstoff entstehen, ist ein komplexer Apparat nötig. Die wichtigste Komponente dafür ist der Lichtsammelkomplex im grünen Pflanzenfarbstoff Chlorophyll. Dort wird die Strahlungsenergie genutzt, um Wasser zu spalten und so den ersten Schritt einer ganzen Kaskade chemischer Reaktionen anzustoßen. Im Verlauf der Photosynthese werden verschiedene Moleküle des Lichtsammelkomplexes in den anregten Zustand versetzt, die dann ihre Anregung in Form elektrischer Ladungen an den nächsten Schritt in der Kette weitergeben. Experimente und Modelle zeigen, dass dieser Energietransport praktisch verlustfrei und extrem schnell erfolgt. Das macht die Photosynthese so effizient.
Gestapelte Farbstoffe
Schon seit Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler, die pflanzliche Photosynthese nachzuahmen. Denn solche Systeme lassen sich für die solare Wasserspaltung nutzen, bei der mithilfe von Luft, Wasser und Sonnenlicht Wasserstoff produziert wird. Künstliche Photosynthese könnte auch dabei helfen, das Treibhausgas CO2 aus der Luft zu binden und es analog zum pflanzlichen Aufbau von Biomasse in nutzbare organische Verbindungen umzuwandeln. Bisher stecken solche Systeme jedoch noch in den Kinderschuhen. Zwar gelingt die solare Wasserspaltung dank spezieller Katalysatoren bereits, sie ist aber lange nicht so effizient wie ihr pflanzliches Vorbild. “Künstliche Photosynthese, die darauf abzielt, den natürlichen Photosynthese-Apparat zu replizieren, ist daher seit langem ein wissenschaftliches Ziel”, erklären Leander Ernst von der Universität Würzburg und seine Kollegen. Im Fokus stehen dabei heute vor allem die Transportprozesse, durch die die pflanzlichen Lichtsammelantennen Ladungen so effizient innerhalb ihres Apparats weitergeben. Typischerweise ermöglichen dabei aneinander angrenzende Redox-Moleküle das verlustarme Elektronen-“Hopping” durch den Apparat.
Dem Team um Ernst ist es nun gelungen, diese wichtigen Anfangsschritte der Photosynthese chemisch nachzuvollziehen. Dafür nutzten die Chemiker eine ausgeklügelte Anordnung von aufeinander gestapelten Farbstoff-Molekülen aus der Klasse der Perylen-Bisimide. Basis dieser organischen Moleküle bildet ein Gerüst aus fünf aromatischen Kohlenwasserstoff-Ringen, das Perylen-Pigmenten eine hohe Elektronenaffinität verleiht und sie durch Licht anregbar macht. Die Farbstoffe absorbieren die Energie des Lichts und geben die überschüssige Energie bei Rückkehr in den Grundzustand wieder als Licht ab – sie fluoreszieren. Für ihren künstlichen Lichtsammelkomplex ergänzten Ernst und seine Kollegen diese Farbstoffmoleküle mit unterschiedlichen chemischen Anhängen und verknüpften sie zu einem Stapel. Dieser funktioniert ähnlich wie der Photosynthese-Apparat der Pflanzen: Er absorbiert an einem Ende Lichtenergie, nutzt sie zur Trennung von Ladungsträgern und leitet diese mittels Elektronentransport schrittweise ans andere Ende weiter.
