Une étude, dont les résultats intitulés «Energy funnelling within multichromophore architectures monitored with subnanometre resolution  » ont été publiés dans la revue Nature Chemistry, a permis d'analyser, à l'aide de trois pigments manipulés par microscopie à effet tunnel, les transferts d'énergie entre molécules en imitant la photosynthèse des végétaux.

Relevons tout d'abord que la photosynthèse, qui "permet aux végétaux de transformer l’énergie solaire en énergie chimique nécessaire à leur croissance", est un mécanisme "réalisé par un assemblage complexe de molécules organiques, les pigments, ayant pour but de collecter, transporter et transformer l’énergie solaire".

Comme "les transferts d’énergie successifs se font par sauts entre molécules voisines, mais également via des phénomènes collectifs, potentiellement cohérents, impliquant simultanément un plus grand nombre de pigments", pour mieux comprendre ces effets, il faut "décortiquer ces assemblages de pigments", pour analyser séparément le rôle de chaque unité active dans la photosynthèse.

Dans ce contexte, cette étude, a adopté une approche dite « bottom-up »: concrètement, elle a utilisé des pigments modèles isolés les uns des autres, qu’elle a réassemblés ensuite "de sorte à former les premières bases fonctionnelles capables de reproduire les mécanismes de transfert d’énergie intervenant dans la photosynthèse".

Ainsi, trois  pigments différents sont "déposés par évaporation sur une surface en très faible quantité, afin de disposer de molécules éloignées les unes des autres", tandis qu'un microscope à effet tunnel "permet de visualiser chacun des pigments, puis de les manipuler un à un, de sorte à former des structures proches des briques élémentaires observées dans les systèmes photosynthétiques naturels".

Dans l'expérience, "un premier pigment, dit donneur, absorbe une excitation", alors qu'un second "joue le rôle d’intermédiaire qui, selon sa nature, augmente ou réduit l’efficacité du transfert d’énergie" et qu'un troisième pigment, accepteur, transforme cette énergie en photon", le microscope à effet tunnel étant "utilisé pour émettre un électron afin de générer une excitation locale d’un des pigments, ce qui permet de reproduire le mécanisme d’absorption d’un photon par un pigment de la plante".

L’énergie reçue par l’accepteur étant convertie en photons plutôt qu’en énergie chimique, la réaction correspond de la sorte à une photosynthèse à l'envers, la capture d'un électron amenant à la libération d'un photon, mais les transferts d'énergie s’opèrent de la même façon".

Cette approche, qui "permet de contrôler la distance et l’orientation entre les pigments avec une précision proche de la distance séparant deux atomes", a conduit à "mettre en avant le rôle joué par des interactions dans le mécanisme de transfert d’énergie". Ces interactions "sont soit de longue portée, de type dipôle-dipôle, soit de courte portée, ces dernières relevant d’un mécanisme, dit d’échange, propre à la physique quantique".

En outre, cette étude montre "que, selon sa nature chimique, le pigment intermédiaire peut jouer un rôle de relais actif de l’excitation, amplifier le transfert d’énergie entre deux molécules sans directement intervenir dans le processus, ou partiellement le bloquer.

Au bout du compte, "en utilisant des briques élémentaires similaires à celles utilisées par la plante pour transporter et convertir l’énergie solaire", cette étude a élaboré "une plateforme pour reproduire les mécanismes fins de la photosynthèse et, dans un futur proche, les élucider".