(PhysOrg.com) -- Een team van MIT-onderzoekers heeft een nieuwe manier gevonden om het proces na te bootsen waarbij planten de kracht van zonlicht gebruiken om water te splitsen en chemische brandstof te maken om hun groei te stimuleren. In dit geval, het team gebruikte een gemodificeerd virus als een soort biologische steiger die de componenten op nanoschaal kan samenstellen die nodig zijn om een ​​watermolecuul te splitsen in waterstof- en zuurstofatomen.

Het splitsen van water is een manier om het fundamentele probleem van zonne-energie op te lossen:het is alleen beschikbaar als de zon schijnt. Door zonlicht te gebruiken om waterstof uit water te maken, de waterstof kan vervolgens worden opgeslagen en op elk moment worden gebruikt om elektriciteit op te wekken met behulp van een brandstofcel, of om vloeibare brandstoffen te maken (of direct te gebruiken) voor auto's en vrachtwagens.

Andere onderzoekers hebben systemen gemaakt die elektriciteit gebruiken, die kunnen worden geleverd door zonnepanelen, om watermoleculen te splitsen, maar het nieuwe biologisch gebaseerde systeem slaat de tussenstappen over en gebruikt zonlicht om de reactie direct aan te drijven. Het voorschot wordt beschreven in een paper gepubliceerd op 11 april in Natuur Nanotechnologie .

Het team, onder leiding van Angela Belcher, de Germeshausen hoogleraar Materials Science and Engineering en Biological Engineering, een gemeenschappelijke, onschadelijk bacterieel virus genaamd M13, zodat het moleculen van een katalysator (het team gebruikte iridiumoxide) en een biologisch pigment (zinkporfyrines) zou aantrekken en eraan zou binden. De virussen werden draadachtige apparaten die zeer efficiënt de zuurstof van watermoleculen konden splitsen.

Overuren, echter, de virusdraden zouden samenklonteren en hun effectiviteit verliezen, dus voegden de onderzoekers een extra stap toe:ze inkapselen in een microgelmatrix, dus behielden ze hun uniforme opstelling en behielden ze hun stabiliteit en efficiëntie.

Terwijl waterstof verkregen uit water het gas is dat als brandstof zou worden gebruikt, de splitsing van zuurstof uit water is de meer technisch uitdagende "halfreactie" in het proces, Belcher legt uit, dus haar team concentreerde zich op dit onderdeel. Planten en cyanobacteriën (ook wel blauwalgen genoemd), ze zegt, "hebben sterk georganiseerde fotosynthetische systemen ontwikkeld voor de efficiënte oxidatie van water." Andere onderzoekers hebben geprobeerd de fotosynthetische delen van planten rechtstreeks te gebruiken voor het benutten van zonlicht, maar deze materialen kunnen structurele stabiliteitsproblemen hebben.

Belcher besloot dat in plaats van onderdelen van planten te lenen, ze zou hun methoden lenen. In plantencellen, natuurlijke pigmenten worden gebruikt om zonlicht te absorberen, terwijl katalysatoren dan de watersplitsingsreactie bevorderen. Dat is het proces Belcher en haar team, waaronder promovendus Yoon Sung Nam, de hoofdauteur van het nieuwe artikel, besloten te imiteren.

In het teamsysteem de virussen fungeren gewoon als een soort steiger, waardoor de pigmenten en katalysatoren op één lijn liggen met de juiste afstand om de watersplitsingsreactie te activeren. De rol van de pigmenten is "op te treden als een antenne om het licht op te vangen, "Belcher legt uit, "en dan de energie over de lengte van het virus overbrengen, als een draad. Het virus is een zeer efficiënte oogster van licht, met deze porfyrinen eraan vast.

"We gebruiken componenten die mensen eerder hebben gebruikt, " zij voegt toe, "maar we gebruiken biologie om ze voor ons te organiseren, dus je krijgt een betere efficiëntie."

Door het virus te gebruiken om het systeem zelf te laten assembleren, wordt de efficiëntie van de zuurstofproductie verviervoudigd, zegt Nam. De onderzoekers hopen een soortgelijk biologisch gebaseerd systeem te vinden om de andere helft van het proces uit te voeren, de productie van waterstof. Momenteel, de waterstofatomen uit het water worden gesplitst in hun samenstellende protonen en elektronen; een tweede deel van het systeem, wordt nu ontwikkeld, zou deze terug combineren tot waterstofatomen en moleculen. Het team werkt ook aan het vinden van een meer alledaagse, goedkoper materiaal voor de katalysator, ter vervanging van het relatief zeldzame en kostbare iridium dat in deze proof-of-concept-studie werd gebruikt.

Thomas Mallouk, de DuPont Professor of Materials Chemistry and Physics aan de Pennsylvania State University, die niet bij dit werk betrokken was, zegt, "Dit is een buitengewoon knap stuk werk dat een van de moeilijkste problemen in kunstmatige fotosynthese aanpakt, namelijk, de organisatie van de componenten op nanoschaal om de overdrachtssnelheden van elektronen te regelen."

Hij voegt eraan toe:"Er moet een ontmoedigende combinatie van problemen worden opgelost voordat dit of enig ander kunstmatig fotosynthetisch systeem daadwerkelijk nuttig kan zijn voor energieconversie." Om kostenconcurrerend te zijn met andere benaderingen van zonne-energie, hij zegt, het systeem zou minstens 10 keer efficiënter moeten zijn dan natuurlijke fotosynthese, in staat zijn om de reactie een miljard keer te herhalen, en gebruik minder dure materialen. "Het is onwaarschijnlijk dat dit in de nabije toekomst zal gebeuren, "zegt hij. "Toch, het ontwerpidee dat in dit document wordt geïllustreerd, zou uiteindelijk kunnen helpen bij een belangrijk stukje van de puzzel."

Belcher zal niet eens speculeren over hoe lang het kan duren om dit tot een commercieel product te ontwikkelen, maar ze zegt dat ze binnen twee jaar verwacht een prototype apparaat te hebben dat het hele proces van het splitsen van water in zuurstof en waterstof kan uitvoeren. met behulp van een zelfvoorzienend en duurzaam systeem.