Naukowcy pokonują bariery dla inspirowanych biologicznie materiałów do zbierania energii słonecznej
Zainspirowani naturą naukowcy z The City College of New York (CCNY) mogą zademonstrować syntetyczną strategię stabilizacji materiałów do pozyskiwania energii słonecznej inspirowanych biologicznie. Ich odkrycia opublikowane w najnowszym wydaniu Nature Chemistry, mogą stanowić znaczący przełom w funkcjonalizacji zespołów molekularnych na potrzeby przyszłych technologii konwersji energii słonecznej.
Niemal w każdym zakątku świata, pomimo ekstremalnych upałów lub niskich temperatur, można spotkać organizmy fotosyntetyzujące, które starają się wychwycić energię słoneczną. Odkrywanie tajemnic natury, jak wydajnie i solidnie zbierać światło, może zmienić krajobraz zrównoważonych technologii energii słonecznej, zwłaszcza w obliczu rosnących globalnych temperatur.
W fotosyntezie pierwszy krok (czyli zbieranie światła) obejmuje interakcję między światłem a wychwytującą go anteną, która składa się z delikatnych materiałów zwanych zespołami nad cząsteczkowymi. Od zielonych roślin liściastych po maleńkie bakterie, natura zaprojektowała dwuskładnikowy system: zespoły nadcząsteczkowe są osadzone w szkieletach białkowych lub lipidowych. Nie jest jeszcze jasne, jaką rolę odgrywa to rusztowanie, ale ostatnie badania sugerują, że natura mogła wyewoluować te wyrafinowane środowiska białkowe, aby ustabilizować ich kruche zespoły nadcząsteczkowe.
„Chociaż nie możemy odtworzyć złożoności rusztowań białkowych występujących w organizmach fotosyntetyzujących, byliśmy w stanie dostosować podstawową koncepcję rusztowania ochronnego, aby ustabilizować naszą antenę zbierającą sztuczne światło” – powiedział dr Kara Ng. Jej współautorami są Dorthe M. Eisele i Ilona Kretzschmar, obie profesorki w CCNY, oraz Seogjoo Jang, profesor w Queens College.
Przyczyny niepowodzenia
Jak dotąd nie udało się przełożyć zasad projektowania przyrody na zastosowania fotowoltaiczne na dużą skalę.
„Niepowodzenie może leżeć w paradygmacie projektowym obecnych architektur ogniw słonecznych” – powiedział Eisele. Jednak ona i jej zespół badawczy „nie dążą do ulepszania już istniejących projektów ogniw słonecznych. Chcemy jednak uczyć się od arcydzieł natury, aby zainspirować zupełnie nowe architektury pozyskiwania energii słonecznej” – dodała.
Zainspirowani naturą, naukowcy pokazują, jak małe, sieciujące się cząsteczki mogą przezwyciężyć bariery utrudniające funkcjonalizację złożeń nadcząsteczkowych. Odkryli, że cząsteczki krzemowodoru mogą samoorganizować się, tworząc blokujące się, stabilizujące rusztowanie wokół sztucznej anteny nadcząsteczkowej zbierającej światło.
„Pokazaliśmy, że te z natury niestabilne materiały mogą teraz przetrwać w urządzeniu, nawet przez wiele cykli ogrzewania i chłodzenia” – powiedział Ng. Ich praca dowodzi słuszności koncepcji, że konstrukcja rusztowania przypominająca klatkę stabilizuje zespoły nadcząsteczkowe przed stresorami środowiskowymi, takimi jak ekstremalne wahania temperatury, bez zakłócania ich korzystnych właściwości zbierania światła.
