Wetenschappers van de National Research Nuclear University MEPhI (Rusland) hebben een nieuw type zonnepaneel gemaakt op basis van hybride materiaal bestaande uit quantum dots (QD's) en lichtgevoelig eiwit. De makers geloven dat het een groot potentieel heeft voor zonne-energie en optisch computergebruik.

De resultaten van de MEPhI-studie zijn gepubliceerd in Biosensoren en bio-elektronica .

Archaeale eiwitten van eencellige organismen, bacteriorodopsine, kan de energie van licht omzetten in de energie van chemische bindingen (zoals chlorofyl in planten). Dit gebeurt door de overdracht van een positieve lading door het celmembraan. Bacteriorodopsine werkt als een protonpomp, waardoor het een kant-en-klaar natuurlijk element van het zonnepaneel is.

Een belangrijk verschil tussen bacteriorodopsine en chlorofyl is het vermogen om zonder zuurstof te werken, waardoor de archaea in zeer agressieve omgevingen kunnen leven, zoals de diepten van de Dode Zee. Dit vermogen heeft evolutionair geleid tot hun hoge chemische, thermisch, en optische stabiliteit. Tegelijkertijd, door protonen te pompen, bacteriorodopsine verandert vele malen van kleur in een miljardste van een seconde. Daarom is het een veelbelovend materiaal voor het maken van holografische verwerkingseenheden.

Wetenschappers van MEPhI hebben de eigenschappen van bacteriorodopsine aanzienlijk kunnen verbeteren door het te binden aan quantum dots (QD's) - halfgeleider nanodeeltjes die in staat zijn om lichtenergie te concentreren op een schaal van slechts enkele nanometers en deze door te geven aan bacteriorodopsine zonder licht uit te stralen.

"We hebben een zeer efficiënte, werkende lichtgevoelige cel die elektrische stroom genereert door licht om te zetten onder een zeer lage fotonexcitatie. Onder normale omstandigheden, zo'n cel werkt niet omdat lichtgevoelige moleculen zoals bacteriorodopsine effectief licht alleen in een zeer smal energiebereik absorberen. Maar kwantumstippen doen dit in een zeer breed bereik en kunnen zelfs twee fotonen met lagere energie omzetten in één foton met hoge energie alsof ze ze op elkaar stapelen, " een onderzoeker bij MEPhI en een van de auteurs van de studie, zei Viktor Krivenkov.

Volgens de onderzoeker voorwaarden scheppen voor de straling van hoogenergetisch foton, een quantum dot straalt het misschien niet uit, maar geeft het eerder door aan bacteriorodopsine. Dus, MEPhI-wetenschappers hebben een cel ontwikkeld die in staat is om te werken onder de bestraling van het nabij-infrarood tot het ultraviolette gebied van het optische spectrum.

"We gebruiken een interdisciplinaire benadering op het snijvlak van chemie, biologie, deeltjesfysica en fotonica. Quantum dots worden geproduceerd met behulp van chemische synthesemethoden, dan zijn ze bedekt met moleculen die hun oppervlak tegelijkertijd biocompatibel en geladen maken, waarna ze worden gebonden aan het oppervlak van de archeïsche bacteriorodopsine-bevattende paarse membranen van Halobacterium salinarum. Als resultaat, we hebben hybride complexen verkregen met een zeer hoge (ongeveer 80%) efficiëntie van excitatie-energieoverdracht van kwantumdots naar bacteriorodopsine, " de toonaangevende wetenschapper van het MEPhI Nano-Bioengineering Laboratory, zei Igor Nabiev.

Volgens de onderzoekers is de verkregen resultaten tonen het potentieel aan voor het creëren van zeer effectieve lichtgevoelige elementen op basis van biostructuren. Ze kunnen worden gebruikt, niet alleen om zonne-energie te leveren, maar ook in optisch computergebruik.

De auteurs benadrukten de zeer hoge kwaliteit van het biohybride nanogestructureerde materiaal en het vooruitzicht om de beste commerciële monsters te overtreffen met een mogelijke verhoging van de efficiëntie met een aanzienlijke marge. Het volgende doel van het onderzoeksteam in deze richting is het optimaliseren van de structuur van de lichtgevoelige cel.