Самоорганізовані фотоелектричні елементи можуть відновлювати самі себе, аби уникнути втрати продуктивності.
Рослини давно навчилися робити те, до чого вчені та інженери прагнуть протягом десятиліть: не тільки перетворювати сонячне світло в енергію, а й робити це день за днем, рік за роком без втрати продуктивності. Сьогодні дослідникам з Массачусетського технологічного інституту (MIT) вдалося відтворити деякі ключові аспекти цього процесу.
Одна з проблем, що виникають при утилізації енергії сонця - руйнівна дія сонячних променів на багато матеріалів. Їх вплив призводить до поступової деградації багатьох систем, що використовуються для перетворення сонячного світла в електроенергію. Рослини вирішують подібну проблему наступним чином: вони безперервно руйнують і відтворюють заново молекули, відповідальні за «збір урожаю» променів сонця. Тому основні структури, захоплюючи сонячне світло, постійно оновлюються.
Саме цей процес і постарався відтворити Майкл Страно (Michael Strano) спільно з командою аспірантів і наукових співробітників. Дослідники синтезували самоорганізовані молекули, здатні перетворювати сонячне світло на електрику. Молекула може бути зруйнована, а потім швидко відтворена шляхом введення додаткового розчину. Результати роботи опубліковані в журналі Nature Chemistry.
Страно згадує, що ця ідея вперше прийшла йому в голову, коли він читав про біологію рослин. «Я був вражений тим, наскільки ефективний механізм відновлення рослинних клітин, - говорить він. - У ясний, сонячний день листок дерева повністю оновлює всі свої білки протягом приблизно 45 хвилин, навіть якщо ви думаєте про нього, як про статичний фотоелемент».
Одна з довгострокових цілей досліджень Страно - знайти спосіб імітації природних принципів при використанні нанокомпонентів. Якщо розглядати механізм фотосинтезу рослин, можна відзначити, що сонячне світло викликає утворення реактивного кисню, який сприяє руйнуванню білків. За словами Страно, «кисень обриває трос, який утримував частини білка разом». Але білки швидко відновлюються, щоб почати весь процес знову. Все це відбувається всередині хлоропластів - малюсіньких капсул, які містяться в кожній клітині рослини і відповідають за фотосинтез. «Хлоропласти - дивовижні пристрої, - говорить Страно. - Це чудові реактори, які споживають вуглекислий газ і використовують світло для виробництва глюкози, що забезпечує енергію для метаболізму».
Для імітації цього процесу дослідники з команди Страно синтезували молекули, які звуться фосфоліпідами, які здатні утворювати дископодібні структури. Ці диски служать «підтримуючою основою» для інших молекул, які і реагують на світло: їх реакційні центри виділяють електрони після попадання в них фотонів. Диски, що несуть на собі такі реакційні центри, поміщаються в розчин, де вони самі по собі закріплюються на поверхні вуглецевих нанотрубок. Нанотрубки утримують фосфоліпідні диски в певному положенні, так що реакційні центри можуть одночасно піддаватися впливу сонячних променів. Також нанотрубки виступають в ролі провідника для «вибитих» світлом електронів.
Система, створена командою Страно, складається з 7 різних сполук, в тому числі вуглецевих нанотрубок, фосфоліпідів, білків (складових реакційних центрів). Страно вважає, що це рекордна за складністю самоорганізована система. При додаванні ПАР ця система розпадається на окремі компоненти, утворюючи густий розчин. Але якщо видалити ПАР з цього розчину за допомогою мембранного фільтру, сполуки спонтанно збираються у вихідну структуру.
Побудований дослідниками прототип фотоелемента протягом 14 годин проходив через цикли збирання-розбирання, але це анітрохи не вплинуло на його продуктивність. Страно говорить, що при розробці нової системи, яка перетворює сонячне світло в електроенергію, дослідники часто не беруть до уваги зміну властивостей системи з плином часу. Для звичайних кремнієвих фотоелектричних елементів деградація незначна, але багато які нові системи, що володіють більшою продуктивністю, низькою вартістю, механічною гнучкістю або іншими покращеними характеристиками, можуть з часом значною мірою втрачати ефективність. Нерідко подібні системи, пропрацювавши якихось 60 годин, втрачають до 10% продуктивності.
Молекулярні структури побудованого командою Страно прототипу володіють ефективністю близько 40%, що майже в 2 рази перевищує ефективність кращих вироблених сьогодні сонячних батарей. Теоретично, ефективність системи може впритул наблизитися до 100%, говорить Страно. Але в даній роботі концентрація структур у розчині була низькою, тому в цілому ефективність приладу була невисока. Дослідники продовжують пошук методів підвищення концентрації.
Філіп Коллінз (Philip Collins) з Університету Каліфорнії, який не брав участі в даній роботі, прокоментував: «Одна з небагатьох, що залишилися принципових невідповідностей між природними та антропогенними системами - можливість регенерації і самовідновлення. Використання наноструктур для подолання цього розриву здавалося багатообіцяючим протягом багатьох років. Робота Страно - перша ознака прогресу в цьому напрямку, що дозволяє припустити, що «нанотехнології» нарешті виходять за рамки вже звичних наноматеріалів і композитів у цю нову галузь».
За матеріалами: web.mit.edu.
