Ученые давно изучают способность фотосинтезирующих бактерий превращать солнечный свет, углекислый газ и воду в энергию,
и, предоставив этим сообществам дом, похожий на многоэтажный жилой дом, команда открыла новые горизонты в этом пространстве. Эти крошечные сетки «наножилья» создают оптимальную среду, которая не только способствует быстрому росту этих бактерий, но и поднимает их потенциал по сбору энергии на новую высоту.
Фотосинтезирующие бактерии, также известные как цианобактерии или, возможно, более знакомые, сине-зеленые водоросли, можно найти во всех типах воды, где они используют солнечный свет для приготовления пищи. Их естественное мастерство в решении этой задачи вдохновило на создание многих многообещающих направлений исследований в области возобновляемых источников энергии, от бионических грибов , вырабатывающих электричество, до биореакторов, работающих на водорослях, которые поглощают углекислый газ, и до автономных решений, которые предлагают план для коммерческих систем искусственного фотосинтеза .
Цианобактерии процветают в таких средах, как поверхности озер, поскольку им требуется много солнечного света для роста, и команда из Кембриджского университета совершила прорыв, который произошел, экспериментируя со способами лучшего удовлетворения этих потребностей. Еще одна вещь, которую команда должна учитывать, заключалась в том, что для сбора энергии, которую они производят в результате фотосинтеза, бактерии должны быть прикреплены к электродам. Создавая электроды, которые также способствуют росту бактерий, ученые эффективно пытаются убить двух зайцев одним выстрелом.
«Существовало узкое место с точки зрения того, сколько энергии вы можете фактически извлечь из фотосинтетических систем, но никто не понимал, где оно находится», — сказала д-р Дженни Чжан, руководившая исследованием. «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».
Команда использовала 3D-печать для производства электродов, сделанных из наночастиц оксида металла, которые были расположены в виде плотно упакованных наборов столбов, как крошечный город. В этом городе обитали цианобактерии, которые затем с большой эффективностью вырабатывали электричество. Настолько, что система увеличила количество энергии, которую можно извлечь из цианобактерий, «более чем на порядок».
«Я был удивлен, 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», — сказал 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».
Еще одна сильная сторона подхода заключается в том, что технику печати можно адаптировать для производства структур разной высоты и масштаба, а это означает, что крошечные города могут быть адаптированы для потенциального применения в различных областях. Таким образом, исследование не только показывает, как можно лучше улавливать энергию этой формы фотосинтеза, но и открывает новые возможности в области дизайна электродов.
«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».
Исследование было опубликовано в журнале Nature Materials .
Источник: Кембриджский университет.