Деревья с листьями из золота как новый способ собрать энергию Солнца, разработанный группой американских инженеров-химиков, которые очень горды своим новым изобретением. Оно основывается на извлечении фотосинтетических молекул из растений и нанесении их на тонкие листы золота, в результате чего создается искусственное фотосинтезирующее устройство.
Организмы используют процесс фотосинтеза на протяжении не менее 3,5 млрд лет, и за это время были разработаны остроумные комбинации белка и светопоглощающего красителя, которые помогают преобразовывать солнечный свет в энергию. Вместо того чтобы заново изобретать колесо, Кейн Дженнингс (Kane Jennings) и Питер Сишельски (Peter Ciesielski) из Вандербильдского университета в Нэшвиле решили использовать эти белки для создания своего собственного фотосинтезирующего устройства.
К этой идее их подтолкнула работа Элиаса Гринбаума (Elias Greenbaum), который в конце 90-х представил протеиновый комплекс, известный как PS1, извлеченный из листов шпината и сохраняющий свои свойства после переноса на поверхность золота. "С тех пор как процесс извлечения PS1 из растений был усовершенствован, мы задумались об использовании этих светопоглощающих белков при создании искусственных листьев", — говорит Дженнингс.
Новое устройство Дженнингса и Сишельски использует выпускаемые в промышленных масштабах листы из сплава серебра и золота. При этом концентрированная азотная кислота используется для растворения серебра, а золото остается с наноскопическими порами. В результате появляется хорошо обработанная поверхность, что позволяет разместить на ней большое количество PS1. Это делает лист достаточно тонким, чтобы пропускать свет. PS1 комплексы крепятся к верхнему слою пористого золота при помощи тиолов (химических молекул со свободным концом) для формирования устойчивых связей с белками.
В итоге собранный искусственный лист подвергается воздействию света, после чего PS1 генерируют поток электронов в металлическом золоте, и это позволяет снимать с его поверхности электрический ток. В обычном растении эти электроны использовались бы для разделения сложных соединений на химические цепочки и создания новых энергетических запасов в форме углеводов.
Большинство испытанных листьев вырабатывают ток величиной 8 наноампер каждым квадратным миллиметром. Пока слишком далеко до необходимого уровня эффективности, но ученые уже работают над новой моделью. "В данный момент мы занимаемся исследованием PS1-пленок толщиной до 1 мм толщиной", — говорит Дженнингс. "Эти пленки могут вырабатывать до 0,02 мкА/мм2 и питать обычный калькулятор".
Но пока данные устройства слишком отстают от лучших кремниевых солнечных батарей, новый метод может стать более конкурентоспособным в будущем, ведь конструкция довольно проста, а в ее основе лежит доступное сырье.
Кроме этого, сконструированная система слишком чувствительна к воздействию прямых солнечных лучей, которые могут разрушить PS1-белки. Поиск защиты и создание листьев, вмещающих большее количество протеина — задача на будущее. Также возможно, что эти искусственные листья приобретут зеленый оттенок, пока они имеют ржаво-красный цвет из-за свойств пористого золота.
Гринбаум был впечатлен развитием своей идеи. "Это очень хорошая работа. Полученные результаты представляют большую ценность в изучении биологических процессов преобразования солнечной энергии".