Forskare vid National Research Nuclear University MEPhI (Ryssland) har skapat en ny typ av solpanel baserat på hybridmaterial bestående av kvantprickar (QD) och ljuskänsligt protein. Skaparna tror att den har en stor potential för solenergi och optisk beräkning.

Resultaten av MEPhI -studien publicerades i Biosensorer och bioelektronik .

Arkeiska proteiner från encelliga organismer, bakteriorhodopsin, kan omvandla ljusets energi till energin i kemiska bindningar (som klorofyll i växter). Detta sker på grund av överföringen av en positiv laddning genom cellmembranet. Bacteriorhodopsin fungerar som en protonpump, vilket gör det till ett klart att använda naturligt element i solpanelen.

En viktig skillnad mellan bacteriorhodopsin och klorofyll är dess förmåga att fungera utan syre, tillåta arkeerna att leva i mycket aggressiva miljöer som Djuphavets djup. Denna förmåga har evolutionärt lett till deras höga kemikalier, termisk, och optisk stabilitet. På samma gång, genom att pumpa protoner, bacteriorhodopsin byter färg många gånger på en miljarddels sekund. Det är därför det är ett lovande material för att skapa holografiska bearbetningsenheter.

Forskare från MEPhI har kunnat förbättra egenskaperna hos bakteriorhodopsin avsevärt genom att binda det till kvantprickar (QD) - halvledarnanopartiklar som kan koncentrera ljusenergi på en skala på bara några nanometer och överföra det till bacteriorhodopsin utan att avge ljus.

"Vi har skapat ett mycket effektivt, fungerande ljuskänslig cell som genererar elektrisk ström genom att omvandla ljus under mycket låg fotonexcitation. Under normala förhållanden, en sådan cell fungerar inte eftersom ljuskänsliga molekyler som bakteriorhodopsin effektivt bara absorberar ljus i ett mycket smalt energiområde. Men kvantprickar gör detta inom ett mycket brett område och kan till och med omvandla två fotoner med lägre energi till en högenergifoton som om de staplas, "en forskare vid MEPhI och en av författarna till studien, Sa Viktor Krivenkov.

Enligt forskaren, skapa förutsättningar för strålning av högenergifoton, en kvantpunkt kanske inte utstrålar den utan snarare överför den till bacteriorhodopsin. Således, MEPhI-forskare har konstruerat en cell som kan fungera under bestrålning från det nära infraröda till det ultravioletta området i det optiska spektrumet.

"Vi använder ett tvärvetenskapligt tillvägagångssätt vid skärningspunkten mellan kemi, biologi, partikelfysik och fotonik. Kvantprickar produceras med kemiska syntesmetoder, sedan är de belagda med molekyler som gör deras yta samtidigt biokompatibel och laddad, varefter de är bundna till ytan av den arkeiska bakteriorhodopsin -innehållande lila membranen av Halobacterium salinarum. Som ett resultat, vi har erhållit hybridkomplex med mycket hög (cirka 80%) effektivitet för överföring av excitationsenergi från kvantprickar till bakteriorhodopsin, "den ledande forskaren vid MEPhI Nano-Bioengineering Laboratory, Sa Igor Nabiev.

Enligt forskarna, de erhållna resultaten visar potentialen för att skapa mycket effektiva ljuskänsliga element baserade på biostrukturer. De kan användas, inte bara för att tillhandahålla solenergi, men också inom optisk beräkning.

Författarna betonade den mycket höga kvaliteten på det biohybrid-nanostrukturerade materialet och möjligheten att överträffa de bästa kommersiella proverna med en möjlig effektivitetsökning med en avsevärd marginal. Nästa mål för forskargruppen i denna riktning är att optimera strukturen hos den ljuskänsliga cellen.