使用3D 打印構(gòu)建能夠進(jìn)行太陽(yáng)能收集的細(xì)菌

由 Yusuf Hamied 化學(xué)系的 Jenny Zhang 領(lǐng)導(dǎo)的英國(guó)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(yáng)能收集中的應(yīng)用。

當(dāng)我們想到能量收集選項(xiàng)時(shí)，想到的明顯可能性可能是太陽(yáng)能和光伏、振動(dòng)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(shí)證明還有其他物質(zhì)可以收集能量。他們將太陽(yáng)能(那些預(yù)先包裝好的純能量束)與一種專(zhuān)門(mén)的細(xì)菌結(jié)合起來(lái)，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(duì)使用 3D 氣溶膠噴射打印來(lái)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(yáng)光的細(xì)菌可以快速生長(zhǎng)，”根據(jù)大學(xué)的說(shuō)法劍橋的新聞稿。

通過(guò) 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(kāi)發(fā)了一種高效的太陽(yáng)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(duì)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(jiān)持認(rèn)為，為他們提供正確的‘家’會(huì)使他們可以提取的能量增加一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，”劍橋大學(xué)說(shuō)。

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(shuō)，它們是地球上最豐富的生命形式之一。沒(méi)有解釋他們是如何確定的，但我會(huì)相信他們的話。

多年來(lái)，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(shí)際上可以從光合系統(tǒng)中提取多少能量存在瓶頸，但沒(méi)有人知道瓶頸在哪里，”張說(shuō)?！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(gè)實(shí)質(zhì)性的瓶頸實(shí)際上是在物質(zhì)方面?！?

藍(lán)藻需要大量的陽(yáng)光才能生長(zhǎng)，它們必須連接到電極上以提取它們通過(guò)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?yàn)樗哂卸栊?、?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(gè)有很多窗戶的高層公寓，”張說(shuō)。“藍(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(duì)定制印刷的，研究人員能夠?qū)Σ煌碾姌O長(zhǎng)度、直徑和面密度進(jìn)行試驗(yàn)。他們進(jìn)行了多次測(cè)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(gè)學(xué)術(shù)項(xiàng)目，因此有很多值得探索的地方。

該團(tuán)隊(duì)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(shuō)這比現(xiàn)有方法好一個(gè)數(shù)量級(jí)。

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(gè) 21 頁(yè)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?yàn)樗鼈儾皇荛L(zhǎng)度限制。他們還討論了初始過(guò)程、權(quán)衡、參數(shù)變化(最優(yōu)和次優(yōu))和測(cè)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(yáng)能的能量收集?或者這真的是一個(gè)有趣且內(nèi)容豐富的學(xué)術(shù)活動(dòng)，由于實(shí)際——也許是美學(xué)——的原因，其結(jié)果幾乎不可能被接受?