Білок медуз освітив майбутнє сонячної енергетики

Фотогальванічні елементи на кремнії процвітають і модифікуються, але на зміну їм уже йде органіка, дешева і екологічна. Саме малоприваблива зелена слиз з живих клітин простих організмів - від водоростей до медуз - обіцяє неабиякі перспективи. Це взялися довести відразу дві команди дослідників зі Швеції і Великобританії.Перше відкриття зробили шведські вчені з технологічного університету Чалмерса (Chalmers). Вони виготовили прототип сонячної комірки, в конструкцію якої введений незвичайний елемент - зелений флуоресцентний протеїн кришталевої медузи.

традиційно зелений флуоресцентний білок (GFP) використовується як світиться мітка в клітинної та молекулярної біології при вивченні експресії генів (для чого навіть розроблена спеціальна відеосистема).

Відео: Fiorenzo Omenetto: Silk, the ancient material of the future

GFP як маркер виявився корисний і в генній інженерії - він дозволяє розрізняти гібридні клітини при їх селекції. Саме "світився" білку ми зобов`язані безліччю існуючих трансгенних видів живих організмів. За відкриття і застосування цього неоціненного інструмента вчені, що виділили GFP, були відзначені Нобелівською премією з хімії 2008 року.

"підсвічені" за допомогою GFP живі тканини відкрили свого часу вченим можливість спостерігати за недоступними раніше процесами - зростанням нервових клітин і ракових пухлин або, як на цій картинці, за розвитком мишачого ембріона (ілюстрація Southwestern University).

Майже півстоліття вчені користувалися GFP, досить слабо собі уявляючи, якою є справжня функція білка в природі - вона була розкрита тільки в 2009 році. Тоді вчинили прорив російські дослідники з`ясували, що GFP відповідальний за процес, схожий на фотосинтез, і, можливо, допомагає організмам відчувати світло.

У такому ключі чудовий білок досліджували шведські фахівці під керівництвом Закарі Чірагванді (Zackary Chiragwandi), які зібрали фотогальванічну осередок з двох алюмінієвих електродів з підкладкою з діоксиду кремнію.

Свою розробку Чірагванді і колеги ведуть досить давно - прототип нинішнього устрою був описаний в статті 2008 року, опублікованій в Journal of Physical Chemistry C (ілюстрація Chiragwandi et al.).

Електроди розділяє невелика відстань, де і знаходиться згаданий білок. При опроміненні ультрафіолетом він поглинає фотони і виробляє електрони, виконуючи функції барвника в осередках Гретцеля.

Білок медузи був обраний дослідниками через свою дешевизну (для "класичних" ж осередків Гретцеля потрібно змішаний з барвником діоксид титану). А ще білок не потрібно додатково обробляти перед досвідом.

Також вчені інтегрували даний протеїн в біологічний паливний елемент, який не потребує зовнішнього джерела світла. Фотони в такому пристрої створюються сумішшю речовин, таких як магній і ферменти люціферази, які спостерігаються в організмах світлячків (Lampyridae) І морських братків (Renilla reniformis).

Вчені, стаття яких поки не опублікована в рецензованому журналі, припускають - подібне джерело живлення знадобиться для медичних діагностичних наноустройств майбутнього.

Кришталеві медузи, однак, не єдині постачальники матеріалу для органічних сонячних осередків. Інша група вчених з лабораторії CREST при Кембриджі розробила схожий на дітище шведів прилад, до складу якого входять водорості.

Плівку з фотосинтезуючих клітин вчені розмістили поверх прозорого провідника. Останній звернений до покритого платиновими наночастинками катода з вуглецю. Клітини водоростей в такому приладі починають під впливом сонця розщеплювати воду і виділяти кисень, електрони і протони.

Перш ніж електрони підуть на перетворення діоксиду вуглецю в органічні сполуки, пристрій немов "витягує" їх з клітин - в зовнішній ланцюга йде струм.

У минулому році команда вчених з Кембриджу відкрила особливості клітинної будови, завдяки яким колонія водоростей "танцює" (На знімку), закручуючись навколо своєї осі (про що біологи написали статтю в Physical Review Letters). Тему енергетичного використання водоростей досліджує спеціальний університетський комітет Algal Bioenergy Consortium (ілюстрація Drescher et al.).

Слід зазначити, що ККД даного пристрою поки залишає бажати кращого - всього лише 0,1%. Проте кембріджські вчені сповнені ентузіазму.

"У водоростей є значний потенціал як джерело біоенергії. Вивчаючи основи їх метаболізму і молекулярної біології, а також уміло використовуючи фантастичні природні варіації різних видів цих рослин, ми зможемо використовувати цей потенціал для масового виробництва енергії", - Стверджує в прес-релізі Кембриджа Девід Болкомб (David Baulcombe), глава кафедри ботаніки.

Незважаючи на досить скромні успіхи в роботі, британські фахівці настільки впевнені в перспективності застосування водоростей в енергетиці, що минулого літа організували тематичну виставку "Зустрітися з водоростями" (Meet the Algae). Вона пройшла в рамках щорічної наукової виставки Королівського товариства - Summer Science Exhibition 2010 року.