(PhysOrg.com) -- Ett team av MIT-forskare har hittat ett nytt sätt att efterlikna processen genom vilken växter använder solljusets kraft för att dela vatten och göra kemiskt bränsle för att driva sin tillväxt. I detta fall, teamet använde ett modifierat virus som en slags biologisk ställning som kan sätta ihop komponenterna i nanoskala som behövs för att dela en vattenmolekyl i väte- och syreatomer.

Att klyva vatten är ett sätt att lösa det grundläggande problemet med solenergi:Det är bara tillgängligt när solen skiner. Genom att använda solljus för att göra väte från vatten, vätet kan sedan lagras och användas när som helst för att generera elektricitet med hjälp av en bränslecell, eller att tillverka flytande bränslen (eller användas direkt) för bilar och lastbilar.

Andra forskare har gjort system som använder el, som kan tillhandahållas av solpaneler, att dela vattenmolekyler, men det nya biologiskt baserade systemet hoppar över de mellanliggande stegen och använder solljus för att driva reaktionen direkt. Förskottet beskrivs i en tidning som publicerades den 11 april i Naturens nanoteknik .

Laget, ledd av Angela Belcher, Germeshausen professor i materialvetenskap och teknik och biologisk teknik, konstruerade en gemensam, ofarligt bakterievirus som kallas M13 så att det skulle attrahera och binda med molekyler av en katalysator (teamet använde iridiumoxid) och ett biologiskt pigment (zinkporfyriner). Virusen blev trådliknande enheter som mycket effektivt kunde dela upp syret från vattenmolekyler.

Över tid, dock, virustrådarna skulle klumpa ihop sig och förlora sin effektivitet, så forskarna lade till ett extra steg:kapsla in dem i en mikrogelmatris, så de behöll sitt enhetliga arrangemang och behöll sin stabilitet och effektivitet.

Medan väte som erhålls från vatten är den gas som skulle användas som bränsle, klyvningen av syre från vatten är den mer tekniskt utmanande "halvreaktionen" i processen, Belcher förklarar, så hennes team fokuserade på den här delen. Växter och cyanobakterier (även kallade blågröna alger), hon säger, "har utvecklat högorganiserade fotosyntetiska system för effektiv oxidation av vatten." Andra forskare har försökt använda de fotosyntetiska delarna av växter direkt för att utnyttja solljus, men dessa material kan ha strukturella stabilitetsproblem.

Belcher bestämde sig för att istället för att låna växtkomponenter, hon skulle låna deras metoder. I växtceller, naturliga pigment används för att absorbera solljus, medan katalysatorer sedan befrämjar vattenuppdelningsreaktionen. Det är processen som Belcher och hennes team, inklusive doktoranden Yoon Sung Nam, huvudförfattaren till den nya tidningen, bestämde sig för att imitera.

I lagets system, virusen fungerar helt enkelt som ett slags byggnadsställningar, vilket gör att pigmenten och katalysatorerna hamnar i linje med rätt typ av mellanrum för att utlösa en vattenspjälkningsreaktion. Pigmentens roll är "att fungera som en antenn för att fånga ljuset, "Belcher förklarar, "och sedan överföra energin längs med viruset, som en tråd. Viruset är en mycket effektiv skördare av ljus, med dessa porfyriner fästa.

"Vi använder komponenter som folk har använt tidigare, " tillägger hon, "men vi använder biologi för att organisera dem åt oss, så du får bättre effektivitet."

Att använda viruset för att få systemet att montera sig själv förbättrar effektiviteten av syreproduktionen fyra gånger, säger Nam. Forskarna hoppas kunna hitta ett liknande biologiskt baserat system för att utföra den andra halvan av processen, produktionen av väte. För närvarande, väteatomerna från vattnet delas upp i sina protoner och elektroner; en andra del av systemet, utvecklas nu, skulle kombinera dessa tillbaka till väteatomer och molekyler. Teamet arbetar också med att hitta en mer vardag, mindre dyrt material för katalysatorn, för att ersätta det relativt sällsynta och kostsamma iridium som används i denna proof-of-concept-studie.

Thomas Mallouk, DuPont professor i materialkemi och fysik vid Pennsylvania State University, som inte var involverad i detta arbete, säger, "Detta är ett extremt smart verk som tar itu med ett av de svåraste problemen inom artificiell fotosyntes, nämligen, komponenternas organisation i nanoskala för att kontrollera elektronöverföringshastigheter."

Han tillägger:"Det finns en skrämmande kombination av problem som måste lösas innan detta eller något annat artificiellt fotosyntessystem faktiskt kan vara användbart för energiomvandling." För att vara kostnadskonkurrenskraftig med andra metoder för solenergi, han säger, systemet skulle behöva vara minst 10 gånger effektivare än naturlig fotosyntes, kunna upprepa reaktionen en miljard gånger, och använda billigare material. "Detta är osannolikt att hända inom en snar framtid, " säger han. "Ändå, designidén som illustreras i detta dokument kan i slutändan hjälpa till med en viktig pusselbit."

Belcher kommer inte ens spekulera om hur lång tid det kan ta att utveckla detta till en kommersiell produkt, men hon säger att hon inom två år räknar med att ha en prototypenhet som kan utföra hela processen med att dela vatten till syre och väte, använda ett självförsörjande och hållbart system.