Complexele de recoltare a luminii o fac singure

O nouă tehnică poate duce într-o zi la celule solare care se unesc ca un flash mob molecular și repară daunele pe care le suferă în timpul afacerii dure de a transforma lumina în electricitate.

Cercetarea pune bazele celulelor solare ieftine, cu auto-reparare, cu o durată de viață nedeterminată, a raportat o echipă pe 5 septembrie în Chimia naturii.

„Este o versiune artificială a ceea ce face natura”, spune expertul în nanocompozite Jaime Grunlan de la Universitatea Texas A&M din College Station. „Aceasta chiar arată ca o lucrare fundamentală inovatoare; N-am văzut niciodată ceva asemănător.”

Razele soarelui pot fi brutale, chiar și pentru o frunză care le recoltează. Când fotosinteza merge la explozie, o frunză construiește în mod constant noi centre de reacție fotosintetice pentru a le înlocui pe cele deteriorate de speciile dure de oxigen și alte molecule distructive generate de lumina ultravioletă intensă.

Deci, în loc să încerce să creeze celule solare extrem de durabile, echipa a decis să ia o foaie literală din cartea naturii și să meargă pe calea auto-repararii, spune inginerul chimist Michael Strano de la MIT, care a condus proiectul. El și Stephen Sligar și Colin Wraight de la Universitatea din Illinois din Urbana-Champaign, împreună cu alți colegi, au proiectat un sistem în care piesele deteriorate ar putea fi înlocuite cu ușurință.

Cercetătorii au început cu centre de reacție de recoltare a luminii de la o bacterie violetă. Apoi au adăugat câteva proteine ​​și lipide pentru structură și nanotuburi de carbon pentru a conduce electricitatea rezultată.

Aceste ingrediente au fost adăugate într-o pungă de dializă umplută cu apă – cea folosită pentru a filtra sângele cuiva ai cărui rinichi nu funcționează – care are o membrană prin care pot trece doar moleculele mici. Soluția de ciorbă conținea și colat de sodiu, un surfactant care împiedică toate ingredientele să se lipească.

Când echipa a filtrat surfactantul din amestec, ingredientele s-au autoasamblat într-o unitate, captând lumina și generând un curent electric.

Asamblarea spontană are loc datorită proprietăților chimice ale ingredientelor și tendinței lor de a se combina în pozițiile cele mai confortabile din punct de vedere energetic. Proteina de schelă se înfășoară în jurul lipidei, formând un mic disc cu centrul de reacție fotosintetic așezat deasupra. Aceste discuri se aliniază de-a lungul nanotubului de carbon, care are pori prin care pot trece electronii din centrul de reacție.

Adăugarea de colat de sodiu înapoi în amestec dezasambla complexele. Dar filtrarea din nou îi aduce înapoi împreună.

„Ideea că se întâmplă reversibil și după bunul plac este destul de uimitoare”, spune Strano. „Se apropie de ceea ce se întâmplă în biologie – formând o cantitate uriașă de ordine cu apăsarea unui comutator. Este ca și cum ai lua piese de puzzle și le-ai arunca în aer și le-ai coborât asamblate.”

Complexele își pierd în cele din urmă putere, dar sunt ușor de reînviat, spune Strano. Echipa de cercetare a dezasamblat unitățile și a completat centrele de reacție fotosintetice. Patru astfel de înlocuiri de-a lungul unei săptămâni au continuat să țină complexele în funcțiune.

„Este o muncă foarte bună – procedura pe care o au, controlul pe care îl au asupra sistemului”, spune biochimistul Mike Jones de la Universitatea Bristol din Anglia. „Este simplu, e foarte frumos.”

Unitățile nu pot concura cu celulele solare pe bază de siliciu utilizate astăzi. Dar celulele solare pe bază de siliciu au atins nivelul actual de eficiență numai după decenii de cercetare și dezvoltare, spune Jones. Investiții similare în această nouă tehnologie ar putea produce un sistem foarte eficient, care se poate auto-repara și funcționează bine în condiții de lumină scăzută, spune el.

În plus, ingredientele principale pentru aceste celule solare ar putea fi într-o zi extrase cu ușurință din material vegetal, spune Strano, poate chiar din biomasa de gunoi. „Am putea transforma deșeurile într-un produs organizat”, spune el.