Исследователи построили миниатюрные «небоскрёбы» для колоний бактерий, помогая им вырабатывать электричество только из солнечного света и воды.
Исследователи из Кембриджского университета использовали 3D-печать для создания сетки высотного «наножилья», в котором могут быстро расти любящие солнце бактерии. Затем исследователи смогли извлечь из бактерий отработанные электроны, оставшиеся от фотосинтеза, которые можно было использовать для питания маормощной электроники.
Другие исследовательские группы извлекали энергию из фотосинтезирующих бактерий, но исследователи из Кембриджа обнаружили, что предоставление им подходящего убежища увеличивает количество энергии, которую они могут извлекать, более чем на порядок. Этот подход конкурентоспособен по сравнению с традиционными методами производства возобновляемой биоэнергии и уже достиг эффективности преобразования солнечной энергии, которая может превзойти многие современные методы производства биотоплива.
Их результаты, опубликованные в журнале Nature Materials, открывают новые возможности в производстве биоэнергии и предполагают, что «биогибридные» источники солнечной энергии могут быть важным компонентом в энергетическом балансе с нулевым выбросом углерода.
Существующие возобновляемые технологии, такие как солнечные батареи и биотопливо на основе кремния, намного превосходят ископаемые виды топлива с точки зрения выбросов углерода, но они также имеют ограничения, такие как зависимость от добычи полезных ископаемых, проблемы с переработкой и зависимость от сельского хозяйства и земли, что приводит к утрате биоразнообразия.
«Наш подход — это шаг к созданию еще более устойчивых устройств на возобновляемых источниках энергии для будущего», — сказала д-р Дженни Чжан из химического факультета Юсуфа Хамида, руководившая исследованием.
Чжан и ее коллеги из Департамента биохимии и Департамента материаловедения и металлургии работают над тем, чтобы переосмыслить биоэнергетику и сделать ее более устойчивой и масштабируемой.
Фотосинтезирующие бактерии, или цианобактерии, являются самой распространенной формой жизни на Земле. В течение нескольких лет исследователи пытались «перенастроить» механизмы фотосинтеза цианобактерий, чтобы извлекать из них энергию.
«Было узкое место с точки зрения того, сколько энергии вы фактически можете извлечь из фотосинтетических систем, но никто не понимал, где это узкое место», — сказал Чжан. «Большинство ученых предполагали, что узкое место было на биологической стороне, в бактериях, но мы обнаружили, что существенное узкое место на самом деле находится на материальной стороне».
Чтобы расти, цианобактериям нужно много солнечного света — например, поверхность озера летом. А чтобы извлекать энергию, которую они производят в результате фотосинтеза, бактерии должны быть прикреплены к электродам.
Кембриджская команда напечатала на 3D-принтере специальные электроды из наночастиц оксида металла, которые предназначены для работы с цианобактериями, когда они осуществляют фотосинтез. Электроды были напечатаны в виде сильно разветвленных, плотно упакованных столбчатых структур, похожих на крошечный город.
Команда Чжана разработала технику печати, которая позволяет контролировать несколько масштабов длины, делая структуры легко настраиваемыми, что может принести пользу в самых разных областях.
«Электроды обладают прекрасными свойствами обработки света, как многоэтажная квартира с большим количеством окон», — сказал Чжан. «Цианобактериям нужно что-то, к чему они могут прикрепиться и сформировать сообщество со своими соседями. Наши электроды обеспечивают баланс между большой площадью поверхности и большим количеством света — как в стеклянном небоскребе».
Как только самособирающиеся цианобактерии оказались в своем новом «проводном» доме, исследователи обнаружили, что они более эффективны, чем другие современные биоэнергетические технологии, такие как биотопливо. Этот метод увеличил количество извлекаемой энергии более чем на порядок по сравнению с другими методами производства биоэнергии из фотосинтеза.
«Я была удивлена, что мы смогли получить те цифры, которые у нас были — подобные цифры предсказывались много лет, но это первый раз, когда эти цифры были показаны экспериментально», — сказала доктор Чжан. «Цианобактерии — это универсальные химические фабрики. Наш подход позволяет нам задействовать их пути преобразования энергии на ранней стадии, что помогает нам понять, как они осуществляют преобразование энергии, чтобы мы могли использовать их естественные пути для возобновляемого топлива или производства химических веществ».
Ссылка: «3D-печатные электроды с иерархической решеткой столбов для высокопроизводительного полуискусственного фотосинтеза» Сяолун Чен, Джошуа М. Лоуренс, Лаура Т. Вей, Лукас Шертель, Циншен Цзин, Сильвия Виньолини, Кристофер Дж. Хоу, Сохини Кар-Нараян и Дженни З. Чжан, 7 марта 2022 г., Nature Materials.DOI: 10.1038/s41563-022-01205-5