Forskere skaber solpanel ved at kombinere protein og kvanteprikker

Forskere ved National Research Nuclear University MEPhI (Rusland) har skabt en ny type solpanel baseret på hybridmateriale bestående af kvanteprikker (QD'er) og lysfølsomt protein. Skaberne mener, at det har et stort potentiale for solenergi og optisk databehandling.

Resultaterne af MEPhI-undersøgelsen blev offentliggjort i Biosensorer og bioelektronik .

Arkæiske proteiner fra encellede organismer, bakteriodopsin, kan omdanne lysets energi til energien fra kemiske bindinger (som klorofyl i planter). Dette sker på grund af overførslen af ​​en positiv ladning gennem cellemembranen. Bacteriorhodopsin fungerer som en protonpumpe, hvilket gør det til et klar-til-brug naturligt element i solpanelet.

En vigtig forskel mellem bacteriorhodopsin og klorofyl er dets evne til at fungere uden ilt, tillader arkæerne at leve i meget aggressive miljøer som dybderne af Det Døde Hav. Denne evne har evolutionært ført til deres høje kemikalie, termisk, og optisk stabilitet. På samme tid, ved at pumpe protoner, bacteriorhodopsin ændrer farve mange gange på en milliardtedel af et sekund. Det er derfor, det er et lovende materiale til at skabe holografiske behandlingsenheder.

Forskere fra MEPhI har været i stand til væsentligt at forbedre egenskaberne af bacteriorhodopsin ved at binde det til kvanteprikker (QD'er) - halvledernanopartikler, der er i stand til at koncentrere lysenergi på en skala på blot et par nanometer og transmittere den til bacteriorhodopsin uden at udsende lys.

"Vi har skabt en meget effektiv, opererer lysfølsom celle, der genererer elektrisk strøm ved at konvertere lys under meget lav fotonexcitation. Under normale forhold, sådan en celle virker ikke, fordi lysfølsomme molekyler såsom bacteriorhodopsin effektivt kun absorberer lys i et meget snævert energiområde. Men kvanteprikker gør dette i et meget bredt område og kan endda konvertere to lavenergifotoner til en højenergifoton, som om de stablede dem, "en forsker ved MEPhI og en af ​​forfatterne til undersøgelsen, sagde Viktor Krivenkov.

Ifølge forskeren, skabe betingelser for stråling af højenergifotoner, en kvanteprik udstråler det måske ikke, men overfører det snarere til bacteriorhodopsin. Dermed, MEPhI-forskere har konstrueret en celle, der er i stand til at fungere under bestråling fra det nær-infrarøde til de ultraviolette områder af det optiske spektrum.

"Vi bruger en tværfaglig tilgang i krydsfeltet mellem kemi, biologi, partikelfysik og fotonik. Kvanteprikker fremstilles ved hjælp af kemiske syntesemetoder, så er de belagt med molekyler, der gør deres overflade biokompatibel og ladet samtidigt, hvorefter de bindes til overfladen af ​​de arkæiske bacteriorhodopsin-holdige lilla membraner af Halobacterium salinarum. Som resultat, vi har opnået hybridkomplekser med meget høj (ca. 80 %) effektivitet af excitationsenergioverførsel fra kvanteprikker til bacteriorhodopsin, "den førende videnskabsmand ved MEPhI Nano-Bioengineering Laboratory, sagde Igor Nabiev.

Ifølge forskerne, de opnåede resultater viser potentialet for at skabe meget effektive lysfølsomme elementer baseret på biostrukturer. De kan bruges, ikke kun for at levere solenergi, men også inden for optisk databehandling.

Forfatterne understregede den meget høje kvalitet af det bio-hybride nanostrukturerede materiale og udsigten til at overgå de bedste kommercielle prøver med en mulig forøgelse af effektiviteten med en betydelig margin. Det næste mål for forskerholdet i denne retning er at optimere strukturen af ​​den lysfølsomme celle.