Planten zijn goed in datgene waar wetenschappers en ingenieurs al tientallen jaren mee worstelen:zonlicht omzetten in opgeslagen energie, en dit dag in dag uit betrouwbaar te doen, jaar na jaar. Nu zijn sommige MIT-wetenschappers erin geslaagd een belangrijk aspect van dat proces na te bootsen.

Een van de problemen met het oogsten van zonlicht is dat de zonnestralen zeer destructief kunnen zijn voor veel materialen. Zonlicht leidt tot een geleidelijke degradatie van veel systemen die zijn ontwikkeld om het te benutten. Maar planten hebben een interessante strategie aangenomen om dit probleem aan te pakken:ze breken voortdurend hun lichtvangende moleculen af ​​en assembleren ze helemaal opnieuw, dus de basisstructuren die de energie van de zon opvangen zijn, in werkelijkheid, altijd gloednieuw.

Dat proces is nu geïmiteerd door Michael Strano, de Charles en Hilda Roddey universitair hoofddocent chemische technologie, en zijn team van afgestudeerde studenten en onderzoekers. Ze hebben een nieuwe reeks zelfassemblerende moleculen gecreëerd die zonlicht in elektriciteit kunnen omzetten; de moleculen kunnen herhaaldelijk worden afgebroken en vervolgens snel weer worden samengevoegd, gewoon door een extra oplossing toe te voegen of te verwijderen. Hun paper over het werk werd op 5 september gepubliceerd in Natuurchemie .

Strano zegt dat het idee voor het eerst bij hem opkwam toen hij las over plantenbiologie. "Ik was echt onder de indruk van hoe plantencellen dit uiterst efficiënte reparatiemechanisme hebben, " hij zegt. In de volle zomerzon, “een blad aan een boom recyclet zijn eiwitten ongeveer elke 45 minuten, ook al zou je het kunnen zien als een statische fotocel.”

Een van Strano's langetermijnonderzoeksdoelen was om manieren te vinden om principes uit de natuur te imiteren met behulp van nanocomponenten. In het geval van de moleculen die worden gebruikt voor fotosynthese in planten, de reactieve vorm van zuurstof geproduceerd door zonlicht zorgt ervoor dat de eiwitten op een zeer precieze manier falen. Zoals Strano het beschrijft, de zuurstof "maakt een ketting los die het eiwit bij elkaar houdt, ” maar dezelfde eiwitten worden snel weer in elkaar gezet om het proces opnieuw te starten.

Deze actie vindt allemaal plaats in kleine capsules, chloroplasten genaamd, die zich in elke plantencel bevinden - en dat is waar fotosynthese plaatsvindt. De chloroplast is "een geweldige machine, ', zegt Strano. "Het zijn opmerkelijke motoren die koolstofdioxide verbruiken en licht gebruiken om glucose te produceren, ” een chemische stof die energie levert voor de stofwisseling.

Om dat proces te imiteren, Strano en zijn team, ondersteund door subsidies van het MIT Energy Initiative, het Eni Solar Frontiers Centre aan het MIT en het Department of Energy, produceerde synthetische moleculen genaamd fosfolipiden die schijven vormen; deze schijven bieden structurele ondersteuning voor andere moleculen die daadwerkelijk op licht reageren, in structuren die reactiecentra worden genoemd, die elektronen afgeven wanneer ze worden geraakt door lichtdeeltjes. de schijven, het dragen van de reactiecentra, bevinden zich in een oplossing waarbij ze zich spontaan hechten aan koolstofnanobuisjes - draadachtige holle buizen van koolstofatomen die een paar miljardsten van een meter dik zijn maar sterker dan staal en in staat zijn om elektriciteit duizend keer beter te geleiden dan koper. De nanobuisjes houden de fosfolipidenschijven in een uniforme uitlijning, zodat de reactiecentra allemaal tegelijk aan zonlicht kunnen worden blootgesteld, en ze fungeren ook als draden om de stroom elektronen te verzamelen en te kanaliseren die door de reactieve moleculen worden losgeslagen.

Het systeem dat Strano's team heeft geproduceerd, bestaat uit zeven verschillende verbindingen, inclusief de koolstof nanobuisjes, de fosfolipiden, en de eiwitten die de reactiecentra vormen, die zich onder de juiste omstandigheden spontaan assembleren tot een lichtoogststructuur die een elektrische stroom produceert. Strano zegt dat hij gelooft dat dit een record vormt voor de complexiteit van een zelfassemblerend systeem. Wanneer een oppervlakteactieve stof - in principe vergelijkbaar met de chemicaliën die BP in de Golf van Mexico heeft gespoten om olie uit elkaar te halen - aan het mengsel wordt toegevoegd, de zeven componenten vallen allemaal uit elkaar en vormen een soepele oplossing. Vervolgens, toen de onderzoekers de oppervlakteactieve stof verwijderden door de oplossing door een membraan te duwen, de verbindingen spontaan weer samengevoegd tot een perfect gevormde, verjongde fotocel.

"We imiteren in feite trucs die de natuur gedurende miljoenen jaren heeft ontdekt" - in het bijzonder, “omkeerbaarheid, het vermogen om uit elkaar te breken en weer in elkaar te zetten, ', zegt Strano. Het team, waaronder postdoctoraal onderzoeker Moon-Ho Ham en afgestudeerde student Ardemis Boghossian, kwam met het systeem op basis van een theoretische analyse, maar besloot toen om een ​​prototypecel te bouwen om het uit te testen. Ze leidden de cel door herhaalde montage- en demontagecycli gedurende een periode van 14 uur, zonder verlies van efficiëntie.

Strano zegt dat bij het bedenken van nieuwe systemen voor het opwekken van elektriciteit uit licht, onderzoekers bestuderen niet vaak hoe de systemen in de loop van de tijd veranderen. Voor conventionele op silicium gebaseerde fotovoltaïsche cellen, er is weinig degradatie, maar met veel nieuwe systemen die worden ontwikkeld — hetzij tegen lagere kosten, hogere efficiëntie, flexibiliteit of andere verbeterde eigenschappen — de degradatie kan zeer aanzienlijk zijn. “Vaak zien mensen meer dan 60 uur, de efficiëntie daalt tot 10 procent van wat je aanvankelijk zag, " hij zegt.

De individuele reacties van deze nieuwe moleculaire structuren bij het omzetten van zonlicht zijn ongeveer 40 procent efficiënt, of ongeveer het dubbele van de efficiëntie van de beste zonnecellen van vandaag. theoretisch, de efficiëntie van de constructies zou bijna 100 procent kunnen zijn, hij zegt. Maar in het eerste werk, de concentratie van de structuren in de oplossing was laag, dus de algehele efficiëntie van het apparaat - de hoeveelheid geproduceerde elektriciteit voor een bepaald oppervlak - was erg laag. Ze zijn nu bezig om manieren te vinden om de concentratie sterk te verhogen.

Philip Collins '90, universitair hoofddocent experimentele en gecondenseerde materie aan de Universiteit van Californië, Irvine, die niet bij dit werk betrokken was, zegt, “Een van de resterende verschillen tussen door de mens gemaakte apparaten en biologische systemen is het vermogen om te regenereren en zichzelf te repareren. Het dichten van deze kloof is een belofte van nanotechnologie, een belofte die al jaren wordt gehyped. Het werk van Strano is het eerste teken van vooruitgang op dit gebied, en het suggereert dat 'nanotechnologie' zich eindelijk voorbereidt om verder te gaan dan eenvoudige nanomaterialen en composieten naar dit nieuwe rijk."