Чем хлоропласты похожи на солнечные батареи

Новостная рассылка

Подпишитесь на информационный бюллетень
Оставайтесь на связи с научным миром!

Ученые имитируют хлоропласты, то есть солнечные элементы, которые восстанавливают сами себя
Авторы новостей | 5 сентября 2010 г., 02:20 | Печать | Эл. почта

Новости Персонал

Казалось бы, подражание природе было бы одним из самых простых занятий для науки. Ведь это прямо там, на глазах, происходит миллионы лет.

Возьмем, к примеру, растения. Каждый день они поглощают солнечный свет и превращают его в энергию, но наша солнечная технология граничит со смехотворностью и, если солнечные лоббисты добьются своего и получат больше субсидий и даже мандатов, станет преступной.

Проблема науки заключается в том, что солнечные лучи очень разрушительны для искусственных материалов, что приводит к постепенной деградации многих систем, разработанных для их использования.

Растения не страдают таким же образом, потому что они постоянно разрушают свои молекулы, улавливающие свет, и собирают их с нуля, поэтому основные структуры, улавливающие солнечную энергию, по сути, всегда совершенно новые. Случайные наблюдатели могут увидеть в листе статичный фотоэлемент, но он обновляет свои белки примерно каждые 45 минут.

Может и у нас получится. Группа пишет в Химия природы говорят, что они создали набор самособирающихся молекул, которые могут превращать солнечный свет в электричество, поскольку молекулы могут многократно разрушаться, а затем быстро собираться, просто добавляя или удаляя дополнительный раствор.

Они обнаружили, что в молекулах, используемых для фотосинтеза в растениях, реактивная форма кислорода, вырабатываемая солнечным светом, вызывает отказ белков очень точным образом. Как описывает это Майкл Страно, адъюнкт-профессор химического машиностроения Чарльза и Хильды Родди в Массачусетском технологическом институте, кислород «разрывает связь, которая удерживает белок вместе», но те же самые белки быстро собираются заново, чтобы возобновить процесс.

Крупный план тестовой клетки, созданной командой для измерения свойств самособирающейся фотосинтетической системы. Авторы и права: Патрик Гиллули, Массачусетский технологический институт.

Все это происходит внутри крошечных капсул, называемых хлоропластами, которые находятся внутри каждой растительной клетки, и именно там происходит фотосинтез. Хлоропласт — это «удивительная машина», — говорит Страно. «Это замечательные двигатели, которые потребляют углекислый газ и используют свет для производства глюкозы», химического вещества, которое обеспечивает энергию для метаболизма.

Чтобы имитировать этот процесс, Страно и его команда при поддержке грантов MIT Energy Initiative и Министерства энергетики произвели синтетические молекулы, называемые фосфолипидами, которые образуют диски; эти диски обеспечивают структурную поддержку других молекул, которые на самом деле реагируют на свет, в структурах, называемых реакционными центрами, которые высвобождают электроны при ударе частицами света. Диски, несущие реакционные центры, находятся в растворе, где они спонтанно прикрепляются к углеродным нанотрубкам — проволокообразным полым трубкам из атомов углерода толщиной в несколько миллиардных долей метра, но прочнее стали и способным проводить электричество в тысячу раз. лучше, чем медь. Нанотрубки удерживают фосфолипидные диски в едином выравнивании, так что все реакционные центры могут одновременно подвергаться воздействию солнечного света, и они также действуют как провода, собирающие и направляющие поток электронов, выбитых реактивными молекулами.

Созданная командой Страно система состоит из семи различных соединений, включая углеродные нанотрубки, фосфолипиды и белки, из которых состоят реакционные центры, которые при определенных условиях спонтанно собираются в светособирающую структуру, производящую электрический ток. . Страно говорит, что, по его мнению, это устанавливает рекорд сложности самособирающейся системы. Когда в смесь добавляется поверхностно-активное вещество, в принципе похожее на химические вещества, которые BP распыляла в Мексиканском заливе для разрушения нефти, все семь компонентов распадаются и образуют жидкий раствор.Затем, когда исследователи удалили поверхностно-активное вещество, протолкнув раствор через мембрану, соединения снова спонтанно собрались в идеально сформированный обновленный фотоэлемент.

«По сути, мы имитируем приемы, которые природа открыла за миллионы лет» — в частности, «обратимость, способность распадаться и собираться заново», — говорит Страно. Команда, в которую входили исследователь с докторской степенью Мун-Хо Хэм и аспирант Ардемис Богоссян, разработала систему на основе теоретического анализа, но затем решила построить прототип ячейки, чтобы проверить ее. Они провели ячейку через повторяющиеся циклы сборки и разборки в течение 14 часов без потери эффективности.

Страно говорит, что при разработке новых систем для производства электроэнергии из света исследователи не часто изучают, как системы меняются со временем. Для обычных фотогальванических элементов на основе кремния деградация незначительна, но при разработке многих новых систем — будь то для более низкой стоимости, более высокой эффективности, гибкости или других улучшенных характеристик — деградация может быть очень значительной. «Часто люди видят, что через 60 часов эффективность падает до 10 процентов от того, что вы видели изначально», — говорит он.

Эффективность отдельных реакций этих новых молекулярных структур при преобразовании солнечного света составляет около 40 процентов, что примерно вдвое превышает эффективность лучших современных коммерческих солнечных элементов. По его словам, теоретически эффективность структур может быть близка к 100 процентам. Но в начальной работе концентрация структур в растворе была низкой, поэтому общий КПД устройства — количество электроэнергии, вырабатываемой на заданной площади поверхности, — был очень низким. Сейчас они работают над тем, чтобы найти способы значительно увеличить концентрацию.

Образец цитирования: Мун-Хо Хам, Чон Хён Чой, Ардемис А. Богоссян, Эстер С. Дженг, Рэйчел А. Графф, Дэниел А. Хеллер, Элис С. Чанг, Айдас Мэттис, Тимоти Х. Байбурт, Елена В. Гринькова, Адам С. Зейгер, Кристин Дж.Ван Влит, Эрик К. Хобби, Стивен Г. Слигар, Колин А. Райт | Майкл С. Страно, «Фотоэлектрохимические комплексы для преобразования солнечной энергии, которые регенерируют химически и автономно», Nature Chemistry (2010) doi: 10.1038 / nchem.822

Еще статьи

• Как на самом деле повела себя Россия во время пандемии COVID-19?
• 7-летний зуд реален — особенно для женщин
• Изучение расовых различий у пожилых пациентов, госпитализированных с сердечными приступами

О

Выпуски новостей со всего мира, прямо для вас.