Полуискуственный «лист», в котором фотосинтез идет быстрее, чем в натуральном

Источник: Physorg

Объединенная команда химиков и биологов Рурского Университета (Бохум, Германия) создала новый метод эффективной интеграции фотосинтезирующих белков в устройствах фотовольтаики. Данная стратегия позволяет добиться скорости передачи электронов, которая впервые превышает показатели, наблюдаемые в природе. В итоге становится возможным создание фотоэлектрических устройств с высокой эффективностью. В натуральных листьях белковая фотосистема 1 (PS1) поглощает свет, и затем солнечная энергия используется для производства биомассы. Фотоэлектрические приборы, которые состоят в основном из кремния, также используют свет, но для создания электричества. Один из подходов к развитию более дешевых и возобновляемых устройств фотовольтаики состоит в замене полупроводника на изолированную мембрану белкового комплекса фотосинтеза.

Команда профессора Маттиаса Рогнера выделила высокостабильный белковый комплекс PS1 из теромфильных цианобактерий, живущих в горячих источниках Японии. Но интеграция этого природного компонента в искусственные устройства оказалась сложной задачей. Дело в том, что в комплексе PS1 присутствуют как гидрофильные, так и гидрофобные домены, что затрудняет иммобилизацию соединения на электродах. Команда доктора Николаса Плюмера и профессора Вольфганга Шухмана разработала сложный материал, проводящий электроны — окислительно-восстановительный гидрогель. Исследователи встроили PS1 в эту искусственную матрицу и смогли тонко настроить локальное окружение природных фотосинтезирующих белков. Гидрофобностью и гидрофильностью гидрогеля можно управлять с помощью сдвига рН, подгоняя свойства матрицы к требованиям фотосистемы.

Эта искусственная среда предоставляет оптимальные условия для PS1 и преодолевает кинетические ограничения, присутствующие в натуральных листьях. В итоге достигаются наиболее высокие фототоки среди существующих систем полуискусственных биофотоэлектродов. Вообще, эффективность концепции биофотовольтаики сдвигается от нановатт к диапазону микроватт. Одновременно, скорость переноса электронов на порядок превышает аналогичный показатель, наблюдаемый в природе. В краткосрочной перспективе фотоэлектрические устройства на основе кремния пока будут превосходить биоустройства с точки зрения стабильности и эффективности. Тем не менее, начальное применение биологических солнечных батарей уже возможно — для питания микроскопических медицинских устройств, датчиков и пр. В будущем биологические фотосистемы могут стать основой для создания гибких солнечных батарей, пригодных для размещения на неровных поверхностях.