Ny selvsamlende fotovoltaisk teknologi, der reparerer sig selv

Planter er gode til at gøre det, forskere og ingeniører har kæmpet for at gøre i årtier:at omdanne sollys til lagret energi, og gør det pålideligt dag efter dag, år efter år. Nu er det lykkedes nogle MIT -forskere at efterligne et centralt aspekt af denne proces.

Et af problemerne med at høste sollys er, at solens stråler kan være meget ødelæggende for mange materialer. Sollys fører til en gradvis nedbrydning af mange systemer udviklet til at udnytte det. Men planter har vedtaget en interessant strategi for at løse dette problem:De nedbryder konstant deres lysfangende molekyler og samler dem igen fra bunden, så de grundlæggende strukturer, der fanger solens energi er, træde i kræft, altid helt ny.

Denne proces er nu blevet efterlignet af Michael Strano, Charles og Hilda Roddey lektor i kemiteknik, og hans team af kandidatstuderende og forskere. De har skabt et nyt sæt selvsamlende molekyler, der kan forvandle sollys til elektricitet; molekylerne kan gentagne gange nedbrydes og derefter genmonteres hurtigt, bare ved at tilføje eller fjerne en ekstra løsning. Deres papir om værket blev offentliggjort den 5. september i Naturkemi .

Strano siger, at ideen først faldt ham i øjnene, da han læste om plantebiologi. ”Jeg var virkelig imponeret over, hvordan planteceller har denne ekstremt effektive reparationsmekanisme, " han siger. I fuld sommersollys, "Et blad på et træ genbruger sine proteiner cirka hvert 45. minut, selvom du måske tænker på det som en statisk fotocelle. ”

Et af Stranos langsigtede forskningsmål har været at finde måder at efterligne principper, der findes i naturen ved hjælp af nanokomponenter. For molekylerne, der bruges til fotosyntese i planter, den reaktive form for ilt, der dannes af sollys, får proteinerne til at fejle på en meget præcis måde. Som Strano beskriver det, iltet "lukker en tøj, der holder proteinet sammen, ”Men de samme proteiner samles hurtigt igen for at genstarte processen.

Denne handling foregår alt inde i små kapsler kaldet chloroplaster, der findes inde i hver plantecelle - og det er her fotosyntesen sker. Kloroplasten er “en fantastisk maskine, ”Siger Strano. ”De er bemærkelsesværdige motorer, der forbruger kuldioxid og bruger lys til at producere glukose, ”Et kemikalie, der giver energi til stofskiftet.

For at efterligne den proces, Strano og hans team, støttet af tilskud fra MIT Energy Initiative, Eni Solar Frontiers Center ved MIT og Department of Energy, producerede syntetiske molekyler kaldet phospholipider, der danner diske; disse diske giver strukturel støtte til andre molekyler, der faktisk reagerer på lys, i strukturer kaldet reaktionscentre, som frigiver elektroner, når de rammes af lyspartikler. Diskene, bærer reaktionscentrene, er i en løsning, hvor de spontant knytter sig til kulnanorør-trådlignende hule rør af carbonatomer, der er et par milliarddeler af en meter tykke, men endnu stærkere end stål og i stand til at lede elektricitet tusind gange bedre end kobber. Nanorørene holder fosfolipidskiverne ensartet, så reaktionscentrene alle kan udsættes for sollys på én gang, og de fungerer også som ledninger til at indsamle og kanalisere strømmen af ​​elektroner, der slås løs af de reaktive molekyler.

Systemet Stranos team producerede består af syv forskellige forbindelser, herunder carbon nanorør, phospholipiderne, og de proteiner, der udgør reaktionscentrene, som under de rette forhold spontant samler sig til en lethøstende struktur, der producerer en elektrisk strøm. Strano siger, at han mener, at dette sætter en rekord for kompleksiteten af ​​et selvsamlingssystem. Når et overfladeaktivt stof - i princippet ligner de kemikalier, BP har sprøjtet ind i Den Mexicanske Golf for at nedbryde olie - tilsættes til blandingen, de syv komponenter går alle fra hinanden og danner en suppeopløsning. Derefter, da forskerne fjernede det overfladeaktive stof ved at skubbe opløsningen gennem en membran, forbindelserne samledes spontant igen til en perfekt formet, forynget fotocelle.

"Vi efterligner dybest set tricks, som naturen har opdaget gennem millioner af år" - især "Reversibilitet, evnen til at bryde fra hinanden og samle igen, ”Siger Strano. Holdet, som omfattede postdoktorforsker Moon-Ho Ham og kandidatstuderende Ardemis Boghossian, kom med systemet baseret på en teoretisk analyse, men besluttede derefter at bygge en prototype -celle for at teste den. De kørte cellen gennem gentagne cykler med montering og demontering over en 14-timers periode, uden tab af effektivitet.

Strano siger, at ved udarbejdelsen af ​​nye systemer til produktion af elektricitet fra lys, forskere studerer ikke ofte, hvordan systemerne ændrer sig over tid. For konventionelle siliciumbaserede fotovoltaiske celler, der er lidt forringelse, men med mange nye systemer under udvikling - enten til lavere omkostninger, højere effektivitet, fleksibilitet eller andre forbedrede egenskaber - nedbrydningen kan være meget betydelig. “Ofte ser folk, over 60 timer, effektiviteten falder til 10 procent af det, du oprindeligt så, " han siger.

De individuelle reaktioner af disse nye molekylære strukturer ved omdannelse af sollys er omkring 40 procent effektive, eller cirka det dobbelte af effektiviteten af ​​nutidens bedste solceller. Teoretisk set strukturernes effektivitet kunne være tæt på 100 procent, han siger. Men i det indledende arbejde, koncentrationen af ​​strukturerne i opløsningen var lav, så enhedens samlede effektivitet - mængden af ​​elektricitet produceret for et givet overfladeareal - var meget lav. De arbejder nu på at finde måder at øge koncentrationen kraftigt.

Philip Collins ’90, lektor i eksperimentel og kondenseret fysik ved University of California, Irvine, der ikke var involveret i dette arbejde, siger, ”En af de resterende forskelle mellem menneskeskabte enheder og biologiske systemer er evnen til at regenerere og reparere sig selv. At lukke dette hul er et løfte om nanoteknologi, et løfte, der har været hypet i mange år. Stranos arbejde er det første tegn på fremskridt på dette område, og det tyder på, at 'nanoteknologi' endelig forbereder sig på at gå videre end simple nanomaterialer og kompositter til dette nye rige. "