使用3D 打印構(gòu)建能夠進(jìn)行太陽能收集的細(xì)菌

由 Yusuf Hamied 化學(xué)系的 Jenny Zhang 領(lǐng)導(dǎo)的英國劍橋大學(xué)的一組研究人員成功展示了細(xì)菌和光合作用在太陽能收集中的應(yīng)用。

當(dāng)我們想到能量收集選項時，想到的明顯可能性可能是太陽能和光伏、振動和壓電傳感器、風(fēng)力和水輪機(jī)，或者可能是熱電偶。

但為什么要局限于這種傳統(tǒng)思維呢?正如劍橋大學(xué)的研究小組所展示的那樣，事實證明還有其他物質(zhì)可以收集能量。他們將太陽能(那些預(yù)先包裝好的純能量束)與一種專門的細(xì)菌結(jié)合起來，產(chǎn)生少量但有用的電力。

然而，這一舉措不僅僅是在培養(yǎng)皿中裝滿適當(dāng)?shù)募?xì)菌，然后連接幾根電線。相反，劍橋大學(xué)的團(tuán)隊使用 3D 氣溶膠噴射打印來構(gòu)建使用氧化銦錫 (ITO) 納米顆粒的定制電極結(jié)構(gòu)，從而創(chuàng)建“高樓的‘納米外殼’網(wǎng)格，讓喜歡陽光的細(xì)菌可以快速生長，”根據(jù)大學(xué)的說法劍橋的新聞稿。

通過 3D 打印具有優(yōu)化高度和間距的 ITO 微晶格，然后將光敏細(xì)菌注入其中，研究人員開發(fā)了一種高效的太陽能能量收集源。

然后他們從光合作用中提取出細(xì)菌的廢電子。

“其他研究團(tuán)隊已經(jīng)從光合細(xì)菌中提取能量，但劍橋大學(xué)的研究人員堅持認(rèn)為，為他們提供正確的‘家’會使他們可以提取的能量增加一個數(shù)量級以上，”劍橋大學(xué)說。

令人驚訝的是，使用的光合細(xì)菌并不是稀有的“物種”。這些藍(lán)藻(正式命名為藍(lán)藻Synechocystis sp. PCC 6803)是自由生活、自我修復(fù)的細(xì)菌，研究人員解釋說，它們是地球上最豐富的生命形式之一。沒有解釋他們是如何確定的，但我會相信他們的話。

多年來，研究人員一直試圖“重新連接”藍(lán)藻的光合作用機(jī)制以提取它們的能量。

“實際上可以從光合系統(tǒng)中提取多少能量存在瓶頸，但沒有人知道瓶頸在哪里，”張說?！按蠖鄶?shù)科學(xué)家認(rèn)為瓶頸在生物方面，在細(xì)菌中，但我們發(fā)現(xiàn)一個實質(zhì)性的瓶頸實際上是在物質(zhì)方面?！?

藍(lán)藻需要大量的陽光才能生長，它們必須連接到電極上以提取它們通過光合作用產(chǎn)生的能量。為了為細(xì)菌提供結(jié)構(gòu)和電連接，研究人員選擇 ITO 電極作為材料，因為它具有惰性、導(dǎo)電性、光散射和生物相容性的理想組合。

“電極具有出色的光處理性能，就像一個有很多窗戶的高層公寓，”張說?！八{(lán)藻需要它們可以附著并與鄰居形成社區(qū)的東西。我們的電極可以在大量表面積和大量光線之間取得平衡——就像一座玻璃摩天大樓。”

由于這些電極是由劍橋團(tuán)隊定制印刷的，研究人員能夠?qū)Σ煌碾姌O長度、直徑和面密度進(jìn)行試驗。他們進(jìn)行了多次測試和分析，以更好地了解各種參數(shù)之間的關(guān)系。由于這是一個學(xué)術(shù)項目，因此有很多值得探索的地方。

該團(tuán)隊找到了這些參數(shù)的最佳組合，以物理支持細(xì)菌，將其表面暴露在光線下并收集電力。

憑借 600 μm 的微柱高度，他們達(dá)到了 245 μA/cm 2的光電流密度，外部量子效率高達(dá) 29%，他們說這比現(xiàn)有方法好一個數(shù)量級。

研究人員的工作在他們的論文“用于高性能半人工光合作用的 3D 打印分層柱陣列電極”中進(jìn)行了詳細(xì)介紹，該論文發(fā)表在 Nature Materials 上。此外，還發(fā)布了一個 21 頁的補(bǔ)充信息文件，我發(fā)現(xiàn)這些補(bǔ)充包通常比原始文件提供更多信息，因為它們不受長度限制。他們還討論了初始過程、權(quán)衡、參數(shù)變化(最優(yōu)和次優(yōu))和測試安排。

怎么想?大量暴露在外的細(xì)菌，連同其所有的混亂和“不良”因素，能否用于基于太陽能的能量收集?或者這真的是一個有趣且內(nèi)容豐富的學(xué)術(shù)活動，由于實際——也許是美學(xué)——的原因，其結(jié)果幾乎不可能被接受?