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Um novo estudo revelou como as conchas de vidro das diatomáceas ajudam esses organismos microscópicos a realizar a fotossíntese em condições de pouca luz. Uma melhor compreensão de como esse fitoplâncton coleta e interage com a luz pode levar a células solares aprimoradas, dispositivos de detecção e componentes ópticos.
“O modelo computacional e o kit de ferramentas que desenvolvemos podem abrir caminho para dispositivos ópticos sustentáveis e de fabricação em massa e ferramentas de coleta de luz mais eficientes baseadas em conchas de diatomáceas”, disse o membro da equipe de pesquisa Santiago Bernal, da Universidade McGill, no Canadá. “Isso pode ser usado para dispositivos biomiméticos para detecção, novas tecnologias de telecomunicações ou formas acessíveis de produzir energia limpa”.
As diatomáceas são organismos unicelulares encontrados na maioria dos corpos de água. Suas conchas são cobertas por orifícios que respondem à luz de maneira diferente, dependendo de seu tamanho, espaçamento e configuração. no diário Materiais Ópticos Expresso, os pesquisadores, liderados por David V. Plant e Mark Andrews, da McGill University, relatam o primeiro estudo óptico de uma concha inteira de diatomáceas. Eles analisaram como diferentes seções da casca, ou frústula, respondem à luz solar e como essa resposta está ligada à fotossíntese.
“Com base em nossas descobertas, estimamos que a frústula pode contribuir com um aumento de 9,83% na fotossíntese, especialmente durante as transições de alta para baixa luz solar”, disse Yannick D’Mello, primeiro autor do artigo. “Nosso modelo é o primeiro a explicar o comportamento óptico de toda a frústula. Portanto, contribui para a hipótese de que a frústula aumenta a fotossíntese nas diatomáceas.”
Combinando microscopia e simulação
As diatomáceas evoluíram por milhões de anos para sobreviver em qualquer ambiente aquático. Isso inclui sua concha, que é composta de muitas regiões que trabalham juntas para colher a luz do sol. Para estudar a resposta óptica das frústulas de diatomáceas, os pesquisadores combinaram simulações ópticas de computador com várias técnicas de microscopia.
Os pesquisadores começaram imaginando a arquitetura da frústula usando quatro técnicas de microscopia de alta resolução: microscopia óptica de campo próximo, microscopia de força atômica, microscopia eletrônica de varredura e microscopia de campo escuro. Eles então usaram essas imagens para informar uma série de modelos que os pesquisadores construíram para analisar cada parte da frústula por meio de simulações 3D.
Usando essas simulações, os pesquisadores examinaram como diferentes cores de luz solar interagiram com as estruturas e identificaram três mecanismos primários de coleta solar: captura, redistribuição e retenção. Essa abordagem permitiu combinar os diferentes aspectos ópticos da frústula e mostrar como eles trabalham juntos para auxiliar na fotossíntese.
“Usamos diferentes simulações e técnicas de microscopia para examinar cada componente separadamente”, disse D’Mello. “Usamos esses dados para construir um estudo de como a luz interage com a estrutura, desde o momento em que é capturada, para onde é distribuída depois disso, quanto tempo é retida e até o momento em que provavelmente é absorvida pela célula. .”
Aumentando a fotossíntese
O estudo revelou que os comprimentos de onda com os quais a concha interagia coincidiam com aqueles absorvidos durante a fotossíntese, sugerindo que ela poderia ter evoluído para ajudar a capturar a luz solar. Os pesquisadores também descobriram que diferentes regiões da frústula podem redistribuir a luz para ser absorvida pela célula. Isso sugere que a casca evoluiu para maximizar a exposição da célula à luz ambiente. Suas descobertas também indicaram que a luz circula dentro da frústula por tempo suficiente para auxiliar a fotossíntese durante os períodos de transição de alta para baixa iluminação.
O novo modelo de frústula pode possibilitar o cultivo de espécies de diatomáceas que coletam luz em diferentes comprimentos de onda, permitindo que sejam personalizadas para aplicações específicas. “Esses mecanismos de coleta de luz das diatomáceas podem ser usados para melhorar a absorção dos painéis solares, permitindo que a luz solar seja coletada em mais ângulos, removendo parcialmente a dependência do painel para enfrentar diretamente o sol”, disse Bernal.
Os pesquisadores agora estão trabalhando para refinar seu modelo e planejam aplicar seu novo kit de ferramentas para estudar outras espécies de diatomáceas. Depois disso, eles planejam estender o modelo além das interações de luz dentro de uma única frústula para examinar comportamentos entre múltiplas frústulas.
Este trabalho comemora Dan Petrescu, que faleceu no ano passado. A pesquisa não teria sido possível sem seus insights, assistência e dedicação.
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Óptica. Observação: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e tamanho.
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