Исцели себя сам: Солнечные батареи берут уроки у растений

Одна из проблем, возникающих при утилизации энергии солнца — разрушительное действие солнечных лучей на многие материалы. Их влияние приводит к постепенной деградации многих систем, используемых для преобразования солнечного света в электроэнергию. Растения решают подобную проблему следующим образом: они непрерывно разрушают и воссоздают заново молекулы, ответственные за «сбор урожая» лучей солнца. Поэтому основные структуры, захватывающие солнечную энергию, постоянно обновляются.

Именно этот процесс и постарался воспроизвести Майкл Страно (Michael Strano) совместно с командой аспирантов и научных сотрудников. Исследователи синтезировали самоорганизующиеся молекулы, способные превращать солнечный свет в электричество. Молекула может быть разрушена, а затем быстро воссоздана путем введения дополнительного раствора. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Chemistry.

Страно вспоминает, что эта идея впервые пришла ему в голову, когда он читал о биологии растений. «Я был впечатлен тем, насколько эффективен механизм восстановления растительных клеток, — говорит он. — В ясный, солнечный день лист дерева полностью обновляет все свои белки в течение примерно 45 минут, даже если вы думаете о нем, как о статическом фотоэлементе».

Одна из долгосрочных целей исследований Страно — найти способ имитации природных принципов с использованием нанокомпонентов. Если рассматривать механизм фотосинтеза растений, можно отметить, что солнечный свет вызывает образование реактивного кислорода, который способствует разрушению белков. По словам Страно, «кислород обрывает трос, удерживающий части белка вместе». Но белки быстро восстанавливаются, чтобы начать весь процесс заново. Все это происходит внутри хлоропластов — крошечных капсул, которые содержатся в каждой клетке растения и отвечают за фотосинтез. «Хлоропласты — удивительные устройства, — говорит Страно. — Это замечательные реакторы, которые потребляют углекислый газ и используют свет для производства глюкозы, обеспечивающей энергию для метаболизма».

Для имитации этого процесса исследователи из команды Страно синтезировали молекулы, называемые фосфолипидами, которые способны образовывать дискообразные структуры. Эти диски служат «поддерживающей основой» для других молекул, которые и реагируют на свет: их реакционные центры выделяют электроны после попадания в них фотонов. Диски, несущие на себе такие реакционные центры, помещаются в раствор, где они сами по себе закрепляются на поверхности углеродных нанотрубок. Нанотрубки удерживают фосфолипидные диски в определенном положении, так что реакционные центры могут одновременно подвергаться воздействию солнечных лучей. Также нанотрубки выступают в роли проводника для «выбитых» светом электронов.

Система, созданная командой Страно, состоит из 7 различных соединений, в том числе углеродных нанотрубок, фосфолипидов, белков (составляющих реакционные центры). Страно полагает, что это рекордная по сложности самоорганизующаяся система. При добавлении ПАВ эта система распадается на отдельные компоненты, образуя густой раствор. Но если удалить ПАВ из этого раствора при помощи мембранного фильтра, соединения спонтанно собираются в исходную структуру.

Построенный исследователями прототип фотоэлемента в течение 14 часов проходил через циклы сборки-разборки, но это ничуть не повлияло на его производительность. Страно говорит, что при разработке новой системы, преобразующей солнечный свет в электроэнергию, исследователи часто не принимают во внимание изменение свойств системы с течением времени. Для обычных кремниевых фотоэлектрических элементов деградация незначительна, но многие новые системы, обладающие большей производительностью, низкой стоимостью, механической гибкостью или другими улучшенными характеристиками, могут со временем в значительной мере терять эффективность. Нередко подобные системы, проработав каких-то 60 часов, теряют до 10% производительности.

Молекулярные структуры построенного командой Страно прототипа обладают эффективностью около 40%, что почти в 2 раза превышает эффективность лучших производимых сегодня солнечных батарей. Теоретически, эффективность системы может вплотную приблизиться к 100%, говорит Страно. Но в данной работе концентрация структур в растворе была низкой, поэтому в целом эффективность устройства была невысока. Исследователи продолжают поиск методов повышения концентрации.

Филипп Коллинз (Philip Collins) из Университета Калифорнии, не принимавший участия в данной работе, прокомментировал: «Одно из немногих оставшихся принципиальных несоответствий между природными и антропогенными системами — возможность регенерации и самовосстановления. Использование наноструктур для преодоления этого разрыва казалось многообещающим на протяжении многих лет. Работа Страно — первый признак прогресса в этом направлении, позволяющий предположить, что "нанотехнологии" наконец-то выходят за рамки уже ставших обычными наноматериалов и композитов в эту новую область».

По сообщению MIT News