Växter är bra på att göra det som forskare och ingenjörer har kämpat för i årtionden:att omvandla solljus till lagrad energi, och gör det på ett tillförlitligt sätt dag efter dag, år efter år. Nu har vissa MIT-forskare lyckats efterlikna en nyckelaspekt av den processen.

Ett av problemen med att skörda solljus är att solens strålar kan vara mycket destruktiva för många material. Solljus leder till en gradvis nedbrytning av många system som utvecklats för att utnyttja det. Men växter har antagit en intressant strategi för att ta itu med detta problem:de bryter ständigt ner sina ljusfångande molekyler och sätter ihop dem från grunden, så de grundläggande strukturerna som fångar solens energi är, i själva verket, alltid helt ny.

Den processen har nu imiterats av Michael Strano, Charles och Hilda Roddey docent i kemiteknik, och hans team av doktorander och forskare. De har skapat en ny uppsättning självmonterande molekyler som kan förvandla solljus till elektricitet; molekylerna kan upprepade gånger brytas ner och sedan snabbt sättas ihop igen, bara genom att lägga till eller ta bort en ytterligare lösning. Deras artikel om arbetet publicerades den 5 september i Naturkemi .

Strano säger att idén först fick honom när han läste om växtbiologi. "Jag blev verkligen imponerad av hur växtceller har denna extremt effektiva reparationsmekanism, " han säger. I fullt sommarsolljus, "ett blad på ett träd återvinner sina proteiner ungefär var 45:e minut, även om du kanske tänker på det som en statisk fotocell."

Ett av Stranos långsiktiga forskningsmål har varit att hitta sätt att imitera principer som finns i naturen med hjälp av nanokomponenter. När det gäller de molekyler som används för fotosyntes i växter, den reaktiva formen av syre som produceras av solljus gör att proteinerna misslyckas på ett mycket exakt sätt. Som Strano beskriver det, syret "knäpper av ett tjuder som håller ihop proteinet, ” men samma proteiner sätts snabbt ihop igen för att starta om processen.

Denna åtgärd äger rum inuti små kapslar som kallas kloroplaster som finns inuti varje växtcell - och det är där fotosyntesen sker. Kloroplasten är "en fantastisk maskin, " säger Strano. "De är anmärkningsvärda motorer som förbrukar koldioxid och använder ljus för att producera glukos, ” en kemikalie som ger energi för ämnesomsättningen.

För att imitera den processen, Strano och hans team, stöds av bidrag från MIT Energy Initiative, Eni Solar Frontiers Center vid MIT och Department of Energy, producerade syntetiska molekyler som kallas fosfolipider som bildar skivor; dessa skivor ger strukturellt stöd för andra molekyler som faktiskt reagerar på ljus, i strukturer som kallas reaktionscentra, som frigör elektroner när de träffas av ljuspartiklar. Diskarna, bär reaktionscentra, befinner sig i en lösning där de binder sig spontant till kolnanorör - trådliknande ihåliga rör av kolatomer som är några miljarddels meter tjocka men ändå starkare än stål och kan leda elektricitet tusen gånger bättre än koppar. Nanorören håller fosfolipidskivorna i en enhetlig inriktning så att alla reaktionscentra kan utsättas för solljus på en gång, och de fungerar också som trådar för att samla upp och kanalisera flödet av elektroner som slås loss av de reaktiva molekylerna.

Systemet som Stranos team producerade består av sju olika föreningar, inklusive kolnanorör, fosfolipiderna, och proteinerna som utgör reaktionscentra, som under rätt förhållanden spontant sätter ihop sig till en ljusupptagande struktur som producerar en elektrisk ström. Strano säger att han tror att detta sätter rekord för komplexiteten hos ett självmonterande system. När ett ytaktivt ämne - i princip liknar de kemikalier som BP har sprayat i Mexikanska golfen för att bryta isär olja - tillsätts till blandningen, de sju komponenterna går alla isär och bildar en soppig lösning. Sedan, när forskarna tog bort det ytaktiva medlet genom att trycka lösningen genom ett membran, föreningarna spontant sammanfogade igen till en perfekt formad, föryngrad fotocell.

"Vi imiterar i princip knep som naturen har upptäckt under miljontals år" - i synnerhet, "reversibilitet, förmågan att bryta isär och återmontera, " säger Strano. Laget, som inkluderade postdoktorn Moon-Ho Ham och doktoranden Ardemis Boghossian, kom fram till systemet baserat på en teoretisk analys, men bestämde sig sedan för att bygga en prototypcell för att testa den. De körde cellen genom upprepade cykler av montering och demontering under en 14-timmarsperiod, utan förlust av effektivitet.

Strano säger att när han utarbetade nya system för att generera elektricitet från ljus, forskare studerar inte ofta hur systemen förändras över tiden. För konventionella kiselbaserade fotovoltaiska celler, det finns liten försämring, men med många nya system som utvecklas - antingen för lägre kostnad, högre effektivitet, flexibilitet eller andra förbättrade egenskaper — försämringen kan vara mycket betydande. "Ofta ser folk, över 60 timmar, effektiviteten faller till 10 procent av vad du först såg, " han säger.

De individuella reaktionerna av dessa nya molekylära strukturer vid omvandling av solljus är cirka 40 procent effektiva, eller ungefär dubbelt så effektivt som dagens bästa solceller. Teoretiskt sett, effektiviteten hos strukturerna kan vara nära 100 procent, han säger. Men i det inledande arbetet, koncentrationen av strukturerna i lösningen var låg, så enhetens totala effektivitet - mängden elektricitet som produceras för en given yta - var mycket låg. De arbetar nu för att hitta sätt att kraftigt öka koncentrationen.

Philip Collins ’90, docent i experimentell och kondenserad materiens fysik vid University of California, Irvine, som inte var involverad i detta arbete, säger, "En av de återstående skillnaderna mellan konstgjorda enheter och biologiska system är förmågan att regenerera och självreparera. Att överbrygga denna klyfta är ett löfte om nanoteknik, ett löfte som har hypats i många år. Stranos arbete är det första tecknet på framsteg på detta område, och det tyder på att "nanoteknik" äntligen förbereder sig för att gå vidare bortom enkla nanomaterial och kompositer till denna nya värld."