Silicis ir saulė

Savo paplūdimio biure su vaizdu į Santa Barbaros kanalą Danielis Morse'as atsargiai išvynioja vieną iš savo brangių egzempliorių. Sudėtinga žėrinčio stiklo pluošto gardelė atrodo kaip abstraktaus meno kūrinys arba detalus architektūrinis dangoraižio modelis. Bet iš tikrųjų tai vieno primityviausių vis dar egzistuojančių daugialąsčių organizmų – jūrinės kempinės rūšies, paprastai žinomos kaip Veneros gėlių krepšelis, skeletas. Kalifornijos universiteto Santa Barbaroje molekulinis biologas Morse'as nori sužinoti, kaip toks paprastas padaras gali surinkti tokią sudėtingą struktūrą. Ir tada jis nori tas žinias panaudoti, kurdamas savo egzotiškas struktūras.

Danielis Morse'as laiko jūrinių kempinių rūšį, paprastai žinomą kaip Veneros gėlių krepšelis. (Kreditas: Gregg Segal)

Žema kempinė sugalvojo puikų problemos, kuri dešimtmečius glumina geriausius pasaulio chemikus ir medžiagų mokslininkus, sprendimą: kaip priversti paprastas neorganines medžiagas, tokias kaip silicis, susiburti į sudėtingas nano- ir mikrostruktūras. Šiuo metu padaryti mikroskopinį įrenginį – tarkime, tranzistorių mikroschemai – reiškia fiziškai jį iškirpti iš silicio plokštės; tai brangus ir daug pastangų reikalaujantis procesas. Tačiau gamta turi daug paprastesnių būdų, kaip sukurti vienodai sudėtingas mikrostruktūras, naudojant tik chemiją – sumaišant junginius tinkamu deriniu. Kempinės metodas yra ypač elegantiškas. Sėdėdamas ant jūros dugno tūkstančius metrų žemiau vakarinės Ramiojo vandenyno dalies paviršiaus, kempinė išskiria silicio rūgštį iš aplinkinio jūros vandens. Jis paverčia rūgštį į silicio dioksidą – silicio dioksidą, kuris, atlikdamas nuostabų biologinės inžinerijos žygdarbį, vėliau surenkamas į tikslią trimatę struktūrą, kurią tiksliai atkuria kiekvienas jos rūšies narys.

Ši istorija buvo mūsų 2006 m. lapkričio mėnesio numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Anot Morse, kempinių pasiekimas toks įspūdingas yra tas, kad joms nereikia toksiškų cheminių medžiagų ir aukštos temperatūros, reikalingos sudėtingų neorganinių struktūrų gamybai. Pasak jo, kempinė gali daug efektyviau surinkti sudėtingas konstrukcijas nei inžinieriai, dirbantys su tomis pačiomis puslaidininkinėmis medžiagomis.

Šis primityvus padaras ir daugybė kitų jūrų organizmų tapo įkvėpimu tyrėjams, kurie tikisi rasti paprastesnių ir pigesnių būdų, kaip sukurti neorganines struktūras, tokias kaip puslaidininkiniai įrenginiai, naudojami kompiuterių mikroschemose, pažangiose medžiagose ir saulės elementuose. Siekiama, kad silicis ir kitos neorganinės medžiagos savaime susijungtų į veikiančią elektroniką taip pat, kaip kempinė surenka silicio dioksidą į sudėtingas formas. (žr. „Kiti biologiškai įkvėptose medžiagose“) . Energijai imlūs milijardus dolerių kainuojantys puslaidininkių gamybos įrenginiai gali būti pakeisti reaguojančių junginių talpomis. Tačiau nors praktiniai pramoniniai procesai dar toli, mokslininkai pradeda suprasti, kaip kempinės ir kiti jūros gyvūnai daro savo mikroinžinerijos stebuklus.

Pavyzdžiui, Morse'as ir jo komanda jau naudoja biologinius triukus, išmoktus iš kempinės, kad sukurtų naujų formų puslaidininkių, pasižyminčių intriguojančiomis elektroninėmis savybėmis, įskaitant galimybę šviesą paversti elektra – savybėmis, kurios gali būti naudingos gaminant pigesnius ir efektyvesnius saulės elementus. . Jo grupė, sako Morse, stato konstrukcijas, kurių anksčiau nebuvo pasiekta.

Pradėkite nuo nulio

Jūros vandens rezervuaruose už Morse laboratorijos knibždėte knibžda spalvingų jūrų žvaigždžių ir koralimorforių – egzotiškų būtybių, panašių į jūros anemonus. Tačiau Morse ir James Weaver, laboratorijos postdoc, labiau domisi nepastebimai atrodančia rūdžių spalvos dėmele: oranžine kempinėle, kuri paprastai gyvena uolų plyšiuose prie pat Santa Barbaros pakrantės. Jei Veneros gėlių krepšelis yra stiklinė kempinių katedra, tai yra šiaudų namelis. Atrodo, kad beformis padaras apskritai neturi skeleto; Tačiau tyrėjams ištirpinus gyvą jo išorės medžiagą, lieka sauja mažyčių stiklinių adatėlių, kurių kiekviena yra tik dviejų milimetrų ilgio ir plonesnė už žmogaus plauką.

Nors Morse galiausiai nori suprasti sudėtingesnius kempinių griaučius, šios paprastos adatos yra gera vieta pradėti. Mokslininkai jau seniai žinojo, kad stiklo adatų šerdyje yra baltymų gijos, tačiau niekas nesuprato, ką jie padarė ir kaip jie susiję su adatų konstrukcija. Taigi Morse'as ir jo kolegos pradėjo išskirdami vieno iš baltymų genetinį kodą, kurį kaip šeimą jie vadino silikateinais, ir paleido rezultatus per didžiulę žinomų baltymų duomenų bazę. Jie nesitikėjo rungtynių, bet jas rado – iškart. Baltymas buvo panašus į proteazę – žmogaus žarnyne esantį fermentą, kuris dalyvauja skaidant ir virškinant maistą.

Tai buvo labai keista, sako Weaveris. Kodėl baltymas, kuris formuoja stiklinį kempinės skeletą, turi ką nors bendro su proteaze? Tyrėjai pradėjo įtarti, kad silikatinai ne tik tarnavo kaip pasyvus šablonas. Iš tiesų, jie nustatė, kad skirtingai nei bet kuris kitas anksčiau tirtas fermentas, silikateinas gali atlikti dvigubą funkciją. Jis aktyviai gamina statybines medžiagas, tokias kaip silicio oksidas – tam tikra prasme virškindamas jūros vandenyje esančius junginius – ir tada priverčia medžiagas išilgai išsirikiuoti, kad susidarytų adatos formos kempinės skeleto stiklas. Morse sako, kad per visus biomineralizacijos tyrimus, kurie tęsiasi porą šimtų metų, tokio fermento nebuvo aptikta.

Morse'as samprotavo, kad jei silikatinai taip gerai gamina silicio oksidą, jie taip pat galėtų gaminti tokius metalų oksidus, kurie yra geri puslaidininkiai elektronikoje ir kai kuriose saulės elementų rūšyse. Jis buvo teisus. Esant 16 laipsnių Celsijaus, temperatūrai, kurioje kempinė gyvena vėsiame vandenyje tiesiai iš mūsų laboratorijos, Morse sako, kad šis fermentas katalizuoja metalo oksido puslaidininkių kristalų formavimąsi ir stabilizuos formavimąsi, kurių negalima pagaminti įprastiniu būdu. išskyrus labai aukštą temperatūrą.

Rezultatas pasiūlė pigesnį puslaidininkių gamybos būdą žemesnėje temperatūroje, tačiau buvo galima problema: užteršimas. Biologas yra ekstazėje, kai gauna, tarkime, 90 proc. Chemikas yra ekstazėje, kai jų grynumas yra 99 proc., sako Morley Stone'as, biochemikas, vadovaujantis biotechnologijų ir medžiagų tyrimams Oro pajėgų tyrimų laboratorijose Wright-Patterson oro pajėgų bazėje netoli Deitono, OH. Bet elektronikos inžinierius ar kas nors kitas, kuriam reikia gaminti įrenginius – jie nori matyti medžiagas, kurių grynumas yra bent penkių devynerių. Jis priduria: „Dažnai taikydami šiuos biologinius metodus galite užauginti įdomių dalykų ir gauti įdomių morfologijų, tačiau jie niekur neprilygsta galutiniam grynumui, kurio jums prireiktų galutiniame įrenginyje.

Morse'as ir jo kolegos žinojo, kad jei jie tikisi pagaminti puslaidininkines medžiagas pigiems, bet efektyviems saulės elementams, jiems tikriausiai prireiks cheminės sintezės technikos, kuri būtų paimta iš kempinių, tačiau išvengtų netvarkingos biologijos. Jie išsiaiškino, kad kempinės paslaptis buvo ta, kad amino ir hidroksilo cheminės grupės fermente gamina silicio oksidą ir surenka jį reikiamu būdu. Tai reiškė, kad visas chemines medžiagas, kurių prireiks naujai sintezės technikai, galima rasti amoniake ir vandenyje. Tyrėjai išsiaiškino, kad sumaišius molekules, kuriose yra metalų oksidų pirmtakų, į vandenį, o po to mišinį veikiant amoniako dujoms, jie gali sukurti plonas labai kristalinių puslaidininkių – elektronikai naudingų medžiagų – plėveles. Morse sako, kad tai yra proveržis, leidžiantis patekti į praktinio naudingumo sritį.

Be to, kristalai turi sudėtingą nanostruktūrą, kuri galėtų pagerinti fotovoltinių prietaisų veikimą. Netoli vandens paviršiaus amoniako dujų koncentracija yra gana stipri, todėl čia pradeda formuotis puslaidininkinis kristalas. Tačiau amoniakas lėtai pasklinda giliau į vandenį, todėl kristalai išauga į mišinį ir susidaro plona plėvelė, kuri nėra vienoda, o susideda iš adatų arba plokščių plokščių tinklo, kurių kiekviena yra vos kelių milijardų metro storio. Šis tinklas galėtų būti efektyvesnio saulės elemento pagrindas.

Saulės svajonės

Šiuo metu fotovoltinės energijos rinkoje dominuojantys kristalinio silicio saulės elementai yra brangūs – tokie brangūs, kad jų gaminama energija kainuoja kelis kartus daugiau nei energija, pagaminta naudojant iškastinį kurą. Viena iš priežasčių – didelė jų žaliavų kaina. Silicio žemėje itin gausu, tačiau jis neegzistuoja kaip grynas elementas; Vietoj to, jis yra susietas su deguonimi ir kitais elementais, pavyzdžiui, smėlyje. Gryno silicio gamyba reikalauja daug energijos.

Siekdami sumažinti saulės elementų sąnaudas, mokslininkai ieškojo būdų, kaip sumažinti jų naudojamo silicio kiekį. Kai kurie pasirinko pigesnes plonas plėveles, pagamintas iš kadmio telūrido arba vario indžio diselenido. Itin ploni šių naujų puslaidininkių sluoksniai gali sugerti tiek pat šviesos, kiek storesnės kristalinio silicio plokštės. Morzės gamybos technika galėtų būti nebrangus būdas padaryti tokias plonas plėveles; be to, jo metodo sukurta nanostruktūra ypač tinka šviesai sugerti ir paversti ją galia.

Saulės elementų projektavimo iššūkis yra užtikrinti, kad elektronai pasislinktų, kai šviesa patenka į puslaidininkį, sukurtų srovę. Kai fotonas atsitrenkia į saulės elemento medžiagą, atsiranda ir laisvasis elektronas, ir teigiamas jo atitikmuo, vadinamas skyle. Jei juos galima greitai atskirti iki priešingų elektrodų, atsiranda elektros srovė. Tačiau sunkumas juos atskirti, kol jie rekombinuoja ir išsklaido energiją kaip šilumą, yra viena iš pagrindinių kliūčių siekiant didesnio efektyvumo saulės elementų, sako Aravinda Kini, JAV Energetikos departamento biomolekulinių medžiagų tyrimų programos vadovė.

Morzės konstrukcijos galėtų įveikti šią kliūtį. Kristalinių projekcijų tinklas gali būti panardintas į skaidrų kietą arba skystą elektrodą. Šviesa prasiskverbtų pro elektrodą, kur ją sugertų kristalas. Kadangi struktūrinės plonos plėvelės paviršiaus plotas yra didelis (vienoje medžiagoje 90–100 kartų didesnis nei tradicinės plonos plėvelės), daugelis šviesos sukuriamų elektronų skylių porų būtų šalia elektrodo sąsajos; dėl to jie galėtų greitai atsiskirti, vienam krūvininkui judant į skaidrų elektrodą, o kitam nešant per kristalą, kad išeitų iš priešingo elektrodo.

Jau dabar Morse su kolegomis pagamino daugiau nei 30 rūšių puslaidininkinių plonų plėvelių ir išbandė jų fotovoltines savybes. Dabar jie stengiasi įtraukti puslaidininkius į funkcines saulės baterijas. Tuo pat metu Morse ir toliau kuria naujus biologiškai įkvėptus medžiagų surinkimo metodus, atsižvelgdama į papildomas programas, įskaitant puslaidininkinius įrenginius, skirtus saugesnėms, didesnės galios tankio baterijoms ir mažesniems atminties lustams; jis taip pat domisi laminuoto pluošto kūrimu itin stiprioms statybinėms medžiagoms.

Tačiau, nors ir susijaudinęs dėl galimų savo darbo pritaikymų, Morse širdyje išlieka molekulinis biologas. Net kalbėdamas apie tai, kaip jo tyrimai galėtų padėti sukurti geresnius saulės elementus, jis žiūri pro langą į uoste besilinksminančius delfinus. Ir jis vis dar yra atsidavęs suprasti mechanizmą, slypintį už kempinės sudėtingumo. Dar kartą jis apžiūri nuostabų Veneros gėlių krepšelio skeletą, nors neabejotinai jį matė tūkstančius kartų. Tai buvo pagaminta iš stiklo, gyvos būtybės, sušunka jis. Tai neįtikėtina!

Kevinas Bullisas yra Technologijų apžvalga nanotechnologijų ir medžiagų mokslo redaktorius.

Kiti iš biologiškai įkvėptų medžiagų

Tyrėjas

Įvartis

Strategija

Joana Aizenberg,

Lucent Technologies, Murray Hill, NJ

Stiprios, savaime gyjančios statybinės medžiagos ir atsparesni optiniai pluoštai

Supratimas, kaip kempinės surenka neorganines medžiagas

Illhanas Aksay,

Prinstonas
universitetas

Savaime gydančios medžiagos ir geresni biojutikliai

Jūrų kriauklių ir kitų biologinių sistemų tyrimas

Angela Belcher,

SU

Geresnės baterijos ir pažangios medžiagos elektronikai, energijai ir medicinai

Inžinerija
virusai medžiagų surinkimui

Samuelis I. Stupas,

Šiaurės vakarų
universitetas

Geresni jutikliai ir saulės elementai

Naudojant peptidus
nukreipti neorganinių struktūrų susidarymą

paslėpti