Carbon nanorør og uorganiske nanopartikler forbedrer fotosyntetisk aktivitet og stabilitet

En ny proces er blevet udviklet til spontant at inkorporere og samle kulstofnanorør (CNT'er) og iltopfangende nanopartikler i kloroplaster, den del af planteceller, der udfører fotosyntese - omdanner lys til energi. Indarbejdelse af CNT'er forbedret elektronstrøm forbundet med fotosyntese med 49% i ekstraherede chloroplaster og med 30% i blade af levende planter, og inkorporering af ceriumoxid -nanopartikler (nanoceria) i ekstraherede chloroplaster reducerede signifikant koncentrationerne af superoxid, en forbindelse, der er giftig for planter.

Kloroplaster alene absorberer kun lys fra den synlige del af solspektret, giver kun adgang til omkring 50% af den hændende solenergistråling, og mindre end 10% af fuldt sollys mætter det fotosyntetiske apparats kapacitet. Denne nano-bio-tilgang menes at øge bredden af ​​solspektret, der bruges til at producere energi og forventes at bidrage til udviklingen af ​​biomimetiske materialer med forbedret fotosyntetisk aktivitet og forbedret stabilitet mod oxidativ nedbrydning.

Der er blevet udviklet en ny nanobionisk tilgang, der giver plantens blade og ekstraherede plantechloroplaster højere fotosyntetisk aktivitet, de biologiske organeller, der omdanner fanget kuldioxid til solenergi. Mens kloroplaster er vært for alle de biokemiske maskiner, der er nødvendige for fotosyntese, lidt er kendt om, hvordan man konstruerer kloroplaster udvundet fra planter til lang sigt, stabil udnyttelse af solenergi. Nu, forskere ved Massachusetts Institute of Technology har opdaget, at højtladede enkeltvæggede carbon-nanorør (CNT'er) overtrukket med DNA og chitosan (et biomolekyle afledt af rejer og andre krebsdyrskaller) spontant kan trænge ind i kloroplaster.

Denne nye lipidudvekslingshylstre penetration (LEEP) proces til inkorporering af nanostrukturer involverer indpakning af CNT'er eller nanopartikler med højt ladede DNA- eller polymermolekyler, gør det muligt for dem at trænge ind i fedtet, hydrofobe membraner, der omgiver kloroplaster. Indarbejdelse af CNT'er i chloroplaster ekstraheret fra planter forbedrede koloroplastens fotosyntetiske aktivitet med 49% sammenlignet med kontrollen. Da disse nanokompositter blev inkorporeret i bladchloroplaster af levende planter, elektronstrømmen forbundet med fotosyntese blev øget med 30%.

Disse resultater er i overensstemmelse med tanken om, at halvledende carbon nanorør er i stand til at udvide lysopsamlingen af ​​plantematerialer til andre dele af solspektret, såsom det grønne, nær infrarød og ultraviolet. En anden stor begrænsning i brugen af ​​ekstraherede chloroplaster til solenergianvendelser er, at de let nedbrydes på grund af lys- og iltinduceret skade på de fotosyntetiske proteiner. Når kraftige oxygenradikalfangere såsom ceriumoxid -nanopartikler (nanoceria) blev kombineret med en højt ladet polymer (polyacrylsyre) og inkorporeret i ekstraherede chloroplaster ved hjælp af LEEP -processen, skader på kloroplasterne fra superoxider og andre reaktive iltarter blev reduceret dramatisk. Denne nanobioniske tilgang forventes at bidrage til udviklingen af ​​biomimetiske materialer til let høst og konvertering af solenergi, samt biokemisk påvisning med regenerative egenskaber og forbedret effektivitet.