Fotoniska egenskaper hos kiselalger

Kiselalger som också kallas diatoméer är encelliga mikroskopiska alger med cellväggar som består av kiseldioxid plus en liten del vatten. Cellen består av två halvor, som en burk med lock. I kiselväggen,"skalet" som benämns frustul, finns det små (mikrometer till nanometer stora) porer som arrangeras i ettmönster som är specifikt för varje art. Dessa mönster är väldigt skulpturala och kiselalger kan med rättakallas havets juveler. Genom porerna har kiselalgen sitt utbyte med omgivningen, t ex näringsupptag och utsöndring av avfallsämnen, men frustulen fungerar också som ett mekaniskt skydd och ett filter.

Man talar om alltifrån 20 000 till 2 miljoner arter. Nya arter hittas hela tiden. Storleken på kiselalgernavarierar från enstaka mikrometer till en halv millimeter. Fossil indikerar att kiselalger har funnits i ca 200miljoner år. Man delar in kiselalgerna i två större grupper baserad på morfologi, de centriska som ärevolutionärt äldst och främst hittas i den fria vattenmassan och de pennata som divergerade från decentriska för ca 90 miljoner år sedan och dominerar i bottenlevande ekosystem samt i havsis.

Det har visat sig att frustulernas mikro- och nanoporer effektivt interagerar med ljus, huvudsakligengenom olika diffraktionsprocesser (ljusböjande egenskaper) som samlar det synliga ljuset i mycket småså kallade "hotspots". Vidare har man observerat att som ett resultat av kiselalgernas nanoporösamönster i denna kiselmatris så kan de fotoluminiscera, dvs återutsöndra ljus av annan våglängd än dende belystes med. Således kan frustulerna med sitt komplexa pormönster, designad genom evolutionensårmiljoner, inte bara fungera som mekaniskt skydd eller filter mot omgivningen, utan också som mycketeffektiva ljusinsamlare (trattar) vilket kan förklara kiselalgernas effektiva fotosyntes i både svagt och starktljus. Vad gäller skadlig ultraviolett ljus så verkar det som att frustulerna kan fungera som ett visstsolskydd, detta genom flera olika processer som vi i detta projekt vill identifiera och detaljstudera. Detskulle kunna vara en förklaring till att kiselalger i motsats till flera andra mikroalgsgrupper verkar varatoleranta mot UV-strålning trots att kiselalgerna i de flesta fall saknar UV-absorberande ämnen (t expigment analoga med melanin i vår hud).

Detta projekt är ett samarbete mellan forskare från olika discipliner främst inom biologi, fysik och teknik.Den bakomliggande teorin är att kiselalgernas fotoniska egenskaper är artspecifika och baseras på derasolika morfologiska karaktärer samt den ljusinstrålning de evolutionärt sett varit utsatta för. Vi förutser en generell skillnad mellan de äldsta centriska vs de evolutionärt yngre pennata grupperna. Särskilt menar viatt denna skillnad ska vara uppenbar när frustulerna och de intakta cellerna exponeras för solljusetsultravioletta delar. Vi studerar olika typer av frustuler och genom avancerade optiska mätningar studerar vi hur porgeometrin fungerar som både ljusinsamlare, ljusuppdelare och ljusskydd. Genom biologiskaexperiment utsätter vi också valda arter för ökad intensitet av UV-strålning och genom både ekofysiologiska mätningar och tillväxtmätningar jämför vi arter med olika ursprung och morfologi samtrelaterar detta till frustulernas (porgeometrins) potentiella UV-skydd.

I stort kan man säga att alla de fotoniska egenskaper man kan hitta i kiselalgernas frustuler gällande bådeultraviolett strålning, synligt ljus och infrarött ljus, kan potentiellt användas i olika tekniska applikationersåsom mikro- och nanosensorer i optokemiska sensorer och biosensorer liksom nanolinser och UV-skyddande material/tillämpningar. Ett aktuellt område är att öka effektiviteten hos solceller där tester för närvarande pågår i både Sverige, liksom inom och utom Europa.