تقنية كهروضوئية ذاتية التكوين قادرة على ترميم نفسها
الباحثين معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يبتكرون تقنية كهروضوئية ذاتية التكوين قادرة على ترميم نفسها
ويمكن للجزيئات حتى تحول ضوء الشمس إلى كهرباء ويمكن تحطيمها وتجميعها بسرعة.
كامبريدج (ماساتشوستس -- النباتات تمتاز بقدرة جيدة لإنجاز ما يكافح الفهماء والمهندسين من أجل القيام به على مدى عقود وهوتحويل ضوء الشمس الى طاقة مخزنة ، والقيام بذلك بشكل إستمرارى يوما بعد يوم ، عاما بعد عام. الآن وقد نجح بعض الفهماء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا محاكاة جانبا رئيسيا من جوانب هذه العملية.
واحدة من المشاكل مع إقتناص ضوء الشمس هوحتى أشعة الشمس يمكن حتى تكون مدمرة للغاية على الكثير من المواد. أشعة الشمس تؤدي إلى تدهور تدريجي للعديد من النظم المتقدمة المعدة لتسخيرها . ولكن النباتات قد اعتمدت محطات استراتيجية مثيرة للاهتمام لمعالجة هذه المسألة : إنها بإستمرار تقوم بتكسير جزيئاتها التى تقتنص ضوء الشمس ثم تعيد تكوينه من الصفر ، وبالتالي فإن الهياكل الأساسية التي تأسر طاقة الشمس هي ، في الواقع ، دائما هياكل جديدة تماما جميع مرة.
تلك العملية قام بتقليدها سترانومايكل وتشارلز وهيلدا Roddey أستاذ مشارك في الهندسة الكيميائية وفريقه من طلاب الدراسات العليا والباحثين. لقد خلقوا مجموعة جديدة من الجزيئات الذاتية التجميع التي يمكنها تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء ، ويمكن للجزيئات حتى تتحطم مرارا وتكرارا وإعادة تشكيلها يتم بسرعة ، فقط عن طريق إضافة أوإزالة حلا إضافيا. وقد نشرت تلك الجزئية للبحث فيخمسة سبتمبر في الكيمياء الطبيعية.
سترانويقول ان الفكرة اتىت إليه عندما كان يقرأ عن بيولوجيا النبات. "وقد أعجبت حقا لرؤية كيفة حتى الخلايا النباتية لديها هذه الآلية للإصلاح بطريقة فعالة للغاية" ،ونطق إنه في ضوء الشمس الصيفى الشديد ، "فإن ورقة على شجرة تقوم بإعادة تدوير البروتينات جميع 45 دقيقة ، حتى ولوكنت قد تفكر في الأمر على نحوأنها كهروضوئية ستاتيكية."
وكان أحد أهداف سترانوللبحوث طويلة الأجل لإيجاد طرق لتقليد المبادئ الموجودة في الطبيعة باستخدام nanocomponents. في حالة الجزيئات المستخدمة في عملية التمثيل الضوئي في النباتات ، فإن الشكل من الأكسيجين الشديد ردة العمل من الذى تنتجه الشمس يؤدى البروتينات إلى التكسر بطريقة دقيقة جدا. وكما يصف سترانو، فإن الأكسجين "يفك الرابط الذى يحافظ على البروتين معا متماسك" ، ولكن يعاد تجميع البروتينات بالسرعة نفسها لاستئناف العملية إلى غير ذلك.
هذا العمل يتم حدوثه جميع مكان داخل كبسولات صغيرة جدا تسمى البلاستيدات الخضراء الموجودة داخل جميع خلية نباتية -- والتي يتم فيها إنجاز عملية التمثيل الضوئي. والبلاستيدات الخضراء هي "آلة مذهلة" هكذا يقول سترانو. واضاف "انهم محركات مميزة التي تستهلك ثاني أكسيد الكربون وتستخدام الضوء لإنتاج الجلوكوز ،" وهي المادة الكيميائية التي توفر الطاقة لعملية التمثيل الغذائي.
لتقليد هذه العملية ،فإن سترانووفريقه ، بدعم من المنح المقدمة من مبادرة للطاقة من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وزارة الطاقة ، قاموبإنتاج الجزيئات الاصطناعية التي سموها الفسفوليبيدات التى لها شكل أقراص ؛ هذه الأقراص توفر الدعم الهيكلي للجزيئات الأخرى التي تستجيب عملا للضوء ، ونادى هذه الهياكل مراكز ردة عمل ، وهى التى تسبب الافراج عن الإليكترونات عندما تضرب من قبل أشعة الضوء.
الأقراص ، تحمل مراكز ردة عمل ، هي في محلول حيث تلتصق تلقائيا إلى الأنابيب النانومترية الكربونية -- وهى أنابيب مجوفة تشبه سلك من ذرات الكربون التي تشكل واحد من المليار من المتر في السمك ولكنها أقوى من الصلب وقادرة على توصيل الكهرباء ألف مرة أفضل من النحاس.
والنانوتيوب تحتوى على الأقراص الفوسفوليبد في محاذاة موحدة بحيث يمكن لجميع المراكز ردة عمل من حتى تتعرض لأشعة الشمس في نفس الوقت، وأنها تعمل أيضا كالأسلاك وتقوم بتوجيه تدفق الالكترونات التى طرقت وأصبحت غير مترابطة من الجزيئات المتفاعلة.
ويتألف نظام فريق سترانومن إنتاج مكون من سبع مركبات مختلفة ، بما في ذلك أنابيب الكربون النانوية ، الدهون الفوسفاتية ، والبروتينات التي تشكل مراكز ردة عمل ، والتي وفقا للشروط حق التجمع تلقائيا نفسها في بنية ضوء الحصاد الذي ينتج التيار الكهربائي . سترانونطق انه يعتقد ان هذا يسجل رقما قياسيا لتعقيد نظام التجميع الذاتي. وعند إضافة مادة تقلل التوتر السطحى-- surfactant مماثلة للمواد الكيميائية في التى طبقتها بريتش بتروليوم عن طريق الرش في خليج المكسيك إلى تفكك النفط -- الى هذا المزيج ، وجميع العناصر السبعة تفكك وتشكل محلولا soupy. ثم عندما أخذ الباحثون في إزالة المادة السطحية عن طريق دفع محلول عن طريق الغشاء ، فإن المركبات تم تجميعها تلقائيا مرة أخرى في شكل خلية كهروضوئية تامة ،إلى غير ذلك فالكهروضوئية تجدد شبابها .
ونطق "نحن أساسا نقلد الحيل التي قد اكتشفتها الطبيعة على مدى ملايين السنين" -- وعلى وجه الخصوص ، "القدرة على العكس ، والقدرة على التفكك وإعادة التجميع" يقول سترانو. اتى هذا الفريق ، الذي ضم الباحث ما بعد الدكتوراه مون هوهام وطالب الدراسات العليا بوغوسيان Ardemis ، حتى مع نظام يقوم على التحليل النظري ، ولكنها قررت بعد ذلك بناء الخلية النموذج لاختبارها . وق جربوا الخلية من خلال دورات متكررة من التجمع والتفكيك على مدى 14 ساعة ، مع عدم فقدان الكفاءة.
سترانويقول إنه لوضع نظم جديدة لتوليد الكهرباء من الضوء ، فالباحثين في كثير من الأحيان لا يدرسون كيفية تغيير الأنظمة على مر الزمن. للحصول على الخلايا الضوئية التقليدية القائمة على السيليكون ، يحدث هناك قليل من التدهور، ولكن مع كثير من النظم الجديدة التي يجري وضعها -- سواء لخفض التكاليف ، ولزيادة الكفاءة والمرونة أوتحسين الخصائص الأخرى --فإن التدهور يمكن حتىقد يكون كبيراجدا. "وغالبا ما يرى الناس ،لمدة أكثر من 60 ساعة ،يحدث إنخفاض في الكفاءة الىعشرة في المئة هكذا يقول سترانو.
ردود العمل الفردية من هذه الهياكل الجزيئية الجديدة في تحويل ضوء الشمس ونحو40 في المئة كفاءة ، أوما يعبر عنه بضعف كفاءة أفضل الخلايا الشمسية التجارية العاملة اليوم . نظريا ، فإن كفاءة الهياكل يمكن حتى تكون قريبة من 100 في المئة ، كما يقول. ولكن في العمل الأولي ، فإن هجريز الهياكل في المحلول كان منخفضا ، وبالتالي فإن الكفاءة العامة للجهاز -- وكمية الطاقة الكهربائية المنتجة لمساحة معينة -- كانت منخفضة جدا. وهم يعملون الآن لإيجاد سبل لزيادة كبيرة في الهجريز .
* [1]
