«نانو آسمان‌خراش‌های» چاپ شده سه‌بعدی به باکتری‌ها کمک می‌کنند نور خورشید را به الکتریسیته تبدیل کنند.
نانو آسمان‌خراش‌هایی در خدمت باکتری‌ها برای تولید برق!
پژوهشگران دانشگاه کمبریج آسمان‌خراش‌های کوچکی را برای جوامعی از باکتری‌ها ساخته‌اند که به آنها کمک می‌کند فقط از نور خورشید و آب، برق تولید کنند.
محققان دانشگاه کمبریج، از چاپ سه‌بعدی برای ایجاد شبکه‌هایی از ساختارها نانویی بلندمرتبه استفاده کردند که در آن باکتری‌های خورشید دوست می‌توانند به سرعت رشد کنند. سپس محققان توانستند الکترون‌های زائد باکتری را که از فتوسنتز باقی مانده بود استخراج کنند که می‌توان از آنها برای تامین انرژی قطعات الکترونیکی کوچک استفاده کرد.
پیش از این، سایر تیم‌های تحقیقاتی انرژی را از باکتری‌های فتوسنتزی استخراج کرده‌اند، اما محققان کمبریج دریافته‌اند که تامین نوع مناسبی از محل زندگی برای باکتری‌ها، میزان انرژی که می‌توان از این باکتری‌ها استخراج کرد را افزایش می‌دهد. این رویکرد در برابر روش‌های رایج تولید انرژی زیستی تجدیدپذیر رقابتی است و در حال حاضر به بازده تبدیل پیل‌های خورشیدی رسیده است که می‌تواند با بسیاری از روش‌های فعلی تولید سوخت زیستی رقابت کند.
نتایج یافته‌های این گروه تحقیقاتی در قالب مقاله‌ای در نشریه Nature Materials منتشر شده است.
فن‌آوری‌های تجدیدپذیر کنونی، مانند سلول‌های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون و سوخت‌های زیستی، از نظر انتشار کربن بسیار برتر از سوخت‌های فسیلی هستند، اما محدودیت‌هایی مانند چالش‌هایی در بازیافت نیز دارند.
دکتر جنی ژانگ از دپارتمان بیوشیمی که رهبری این تحقیق را بر عهده داشت، گفت: «رویکرد ما گامی به سوی ساخت دستگاه‌های انرژی تجدیدپذیر پایدارتر برای آینده است.»
باکتری‌های فتوسنتزی یا سیانوباکتری‌ها فراوان‌ترین شکل حیات روی زمین هستند. برای چندین سال، محققان تلاش کرده‌اند تا مکانیسم‌های فتوسنتز سیانوباکتری‌ها را دوباره طراحی کنند تا از آنها انرژی بگیرند.
ژانگ می‌گوید: «از نظر میزان انرژی که می‌توانید از سیستم‌های فتوسنتزی استخراج کنید، یک تنگنا وجود دارد، اما هیچ‌کس متوجه نشد که این گلوگاه کجاست. بیشتر دانشمندان تصور می کردند که گلوگاه در سمت زیستی، در باکتری‌ها، است اما ما دریافتیم که یک گلوگاه قابل توجه در واقع در سمت مواد مورد استفاده در محیط زندگی باکتری‌ها است.»
سیانوباکترها برای رشد به نور خورشید زیادی نیاز دارند. برای استخراج انرژی که از طریق فتوسنتز تولید می‌کنند، باکتری‌ها باید به الکترودها متصل شوند. تیم تحقیقاتی دانشگاه کمبریج الکترودهای سفارشی چاپ شده سه‌بعدی را از نانوذرات اکسید فلزی که برای کار با سیانوباکتری‌ها در حین انجام فتوسنتز طراحی شده‌اند، چاپ کردند. الکترودها به صورت ساختارهای ستونی بسیار منشعب و متراکم مانند یک شهر کوچک چاپ شدند.
تیم ژانگ روش چاپی را توسعه داد که امکان کنترل بر روی مقیاس‌های طولی متعدد را فراهم می‌کند و ساختارها را بسیار قابل تنظیم می‌کند، که می‌تواند برای طیف وسیعی از زمینه‌ها مفید باشد.
ژانگ می‌گوید: «الکترودها دارای خواص بسیار خوبی برای کنترل نور هستند، مانند یک آپارتمان بلند با پنجره‌های زیاد. سیانوباکتری‌ها به چیزی نیاز دارند که بتوانند به آن متصل شوند و با همسایگان خود جامعه‌ای تشکیل دهند. الکترودهای ما مانند یک آسمان‌خراش شیشه‌ای امکان تعادل بین سطح زیاد و نور زیاد را فراهم می‌کنند.»
هنگامی که سیانوباکتری‌های خود مونتاژ شده در خانه جدید نانویی خود قرار گرفتند، محققان دریافتند که نسبت به سایر فناوری‌های زیستی فعلی، کارآمدتر هستند. این روش مقدار انرژی استخراج شده را نسبت به روش‌های دیگر برای تولید انرژی زیستی از فتوسنتز افزایش داد.
