Önmagukat összerakó napelemeket fejleszt az MIT

A hagyományos napelemek egyik problémája, hogy a napsugarak tönkreteszik a fénysugárzást elektromos energiává alakító anyagaikat, fokozatosan csökkentve a cellák teljesítményét. Ugyanez a jelenség a növényeknél is fennáll, a természet azonban egy érdekes stratégiát dolgozott ki a probléma megoldására.

A fényt foglyul ejtő molekulák folyamatosan lebomlanak, majd a semmiből újra összeállnak, így a növények napenergia-gyűjtő szerkezetei gyakorlatilag mindig újak és optimális teljesítményt nyújtanak. Az MIT tudósai megirigyelték a természet megoldását és sikeresen lemásolták a folyamat egyik kulcs mozzanatát. Michael Strano és csapata a Nature Chemistry szaklapban számolt be az önmaguk ismétlődő gyors lebontására és összerakására képes mesterséges fotovoltaikus molekulák megalkotásáról.

"Lenyűgözött a növényi sejtek rendkívül hatékony javító mechanizmusa" - mondta Strano. "A legerősebb nyári napfényben egy falevél 45 percenként újrahasznosítja proteinjeit, mégis egy statikus napelemként tekinthetünk rá." A növények fotoszintézisében az oxigén egy, a napfény által előállított reaktív formája okozza a proteinek lebomlását, amik azonban gyorsan újra is épülnek, hogy újraindulhasson a folyamat. Mindez a fotoszintézist végző kloroplasztiszoknak nevezett sejtszervecskékben megy végbe, amik minden növényi sejtben jelen vannak. "A kloroplasztisz egy elképesztő gépezet, ami széndioxidot fogyaszt és a fény felhasználásával glükózt termel" - mondta Strano.

A kísérleti eszköz. Az üveg hengerben helyezkedik el az önmagát összerakó molekulák keveréke

A folyamat imitálásához a kutatók szintetikus molekulákat, úgynevezett foszfolipideket hoztak létre, amik korongokat alkottak. Ezek a korongok foglalják szerkezetbe a fényre reagáló molekulákat, a kapott szerkezetek, a reakció-központok pedig elektronokat bocsátanak ki a fényrészecskék becsapódásakor. A korongokat egy oldatban helyezték el, amiben szén nanocsövekhez kapcsolódtak. A nanocsövek egységes elrendezésben tartják a foszfolipid korongokat, így a reakció-központok egyszerre vannak kitéve a napfénynek, miközben vezetékként viselkedve összegyűjtik és elvezetik a reaktív molekulák által felszabadított elektronokat.

A rendszer hét különböző alkotóelemből, köztük a már említett szén nanocsövekből, a foszfolipidekből, valamint a reakció-központokat felépítő proteinekből áll. Ezek megfelelő körülmények között spontán összerakják magukat egy elektromos áramot termelő fénygyűjtő szerkezetté. Amikor egy a felületi feszültséget csökkentő, felületaktív anyagot adnak az elegyhez, a hét összetevő egy folyékony oldatot képezve szétválik, majd amikor egy membrán segítségével eltávolítják a felületaktív anyagot, az alkotóelemek önkéntelenül újra egy tökéletes, megújult fotocellává állnak össze.

A prototípusban 14 órán át futtatták ciklikusan a szétbomlás és összeállás folyamatát, hatékonyságvesztés nélkül. "Alapvetően egy olyan trükköt utánoztunk, amit a természet évmilliók során fedezett fel: a visszafordíthatóságot, a szétbontás és újra összerakás képességét" - magyarázta Strano. Szerinte a szerkezetek elméleti hatékonysága megközelítené a 100 százalékot, azonban az eddig elvégzett kísérletekben alacsony volt a szerkezetek oldatbeli koncentrációja, így az adott felületen termelt elektromosság mennyisége is egészen minimális volt. A csapat most a koncentráció növelésén dolgozik.