تكنولوجيا

تساعد “ناطحات السحاب النانوية” المطبوعة ثلاثية الأبعاد البكتيريا على تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء

استخدم الباحثون في جامعة كامبريدج الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء شبكات من “مساكن نانوية” شاهقة حيث يمكن للبكتيريا المحبة للشمس أن تنمو بسرعة. تمكن الباحثون بعد ذلك من استخراج النفايات الإلكترونية للبكتيريا من عملية التمثيل الضوئي ، والتي يمكن استخدامها لتشغيل الأجهزة الإلكترونية الصغيرة. الائتمان: غابرييلا بوكيتي

ابتكر الباحثون “ناطحات سحاب” صغيرة لمجتمعات البكتيريا ، لمساعدتهم على توليد الكهرباء من ضوء الشمس والماء فقط.

استخدم باحثو جامعة كامبريدج الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء شبكات من “مساكن نانوية” شاهقة حيث يمكن للبكتيريا المحبة للشمس أن تنمو بسرعة. تمكن الباحثون بعد ذلك من استخراج النفايات الإلكترونية للبكتيريا من عملية التمثيل الضوئي ، والتي يمكن استخدامها لتشغيل الأجهزة الإلكترونية الصغيرة.

استخرجت فرق بحثية أخرى الطاقة من بكتيريا التمثيل الضوئي ، لكن باحثو كامبريدج وجدوا أن تزويدهم بالنوع المناسب من المنزل يزيد من كمية الطاقة التي يمكنهم استخراجها بأكثر من مقدار. هذا النهج منافس للطرق التقليدية لإنتاج الطاقة الحيوية المتجددة وقد حقق بالفعل كفاءات تحويل الطاقة الشمسية التي يمكن أن تتجاوز العديد من الأساليب الحالية لإنتاج الوقود الحيوي.

النتائج التي توصلوا إليها ، ذكرت في المجلة المواد الطبيعيةفتح طرق جديدة في إنتاج الطاقة الحيوية واقترح أن مصادر الطاقة الشمسية “الهجين الحيوي” يمكن أن تكون جزءًا مهمًا من مزيج الطاقة الخالية من الكربون.

أحرف صغيرة

استخدم الباحثون في جامعة كامبريدج الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء شبكات “ناطحة سحاب” شاهقة حيث يمكن للبكتيريا المحبة للشمس أن تنمو بسرعة. تمكن الباحثون بعد ذلك من استخراج النفايات الإلكترونية للبكتيريا من عملية التمثيل الضوئي ، والتي يمكن استخدامها لتشغيل الأجهزة الإلكترونية الصغيرة. الائتمان: غابرييلا بوكيتي

تعد التقنيات المتجددة الحالية ، مثل الخلايا الشمسية والوقود الحيوي القائمة على السيليكون ، أفضل بكثير من الوقود الأحفوري من حيث انبعاثات الكربون ، ولكن لها أيضًا قيودًا ، مثل الاعتماد على تحديات التعدين وإعادة التدوير والاعتماد على الزراعة والأراضي. الاستخدام ، مما أدى إلى فقدان التنوع البيولوجي.

قالت الدكتورة جيني زانج من قسم الكيمياء يوسف حميد ، التي قادت البحث: “نهجنا هو خطوة نحو صنع أجهزة طاقة متجددة أكثر استدامة للمستقبل”.

يعمل Zhang وزملاؤه من قسم الكيمياء الحيوية وقسم علوم المواد والمعادن على إعادة تصور الطاقة الحيوية كشيء مستدام وقابل للتطوير.

تعد بكتيريا التمثيل الضوئي ، أو البكتيريا الزرقاء ، أكثر أشكال الحياة وفرة على الأرض. لعدة سنوات ، كان الباحثون يحاولون “إعادة أسلاك” آليات التمثيل الضوئي للبكتيريا الزرقاء من أجل استخلاص الطاقة منها.

قال تشانغ: “كان هناك عنق زجاجة من حيث كمية الطاقة التي يمكنك استخراجها فعليًا من أنظمة التمثيل الضوئي ، لكن لم يكتشف أحد مكان الاختناق”. “افترض معظم العلماء أن عنق الزجاجة كان على الجانب البيولوجي ، في البكتيريا ، لكننا وجدنا أن عنق الزجاجة كبير في الواقع على جانب الأجهزة.”

لكي تنمو ، تحتاج البكتيريا الزرقاء إلى الكثير من ضوء الشمس ، مثل سطح البحيرة في الصيف. ولاستخراج الطاقة التي تنتجها من خلال عملية التمثيل الضوئي ، يجب ربط البكتيريا بأقطاب كهربائية.

قام فريق Cambridge 3D بطباعة أقطاب كهربائية مخصصة من جزيئات أكسيد المعادن النانوية المصممة للعمل مع البكتيريا الزرقاء أثناء عملية التمثيل الضوئي. طُبعت الأقطاب الكهربائية على هيئة هياكل أعمدة شديدة التفرع ومكتظة ، مثل مدينة صغيرة.

طور فريق Zhang تقنية طباعة تسمح بالتحكم في مقاييس الطول المتعددة ، مما يجعل الهياكل قابلة للتخصيص بدرجة عالية ، مما قد يفيد مجموعة واسعة من المجالات.

قال تشانغ: “تتمتع الأقطاب الكهربائية بخصائص ممتازة في التعامل مع الضوء ، مثل شقة شاهقة بها الكثير من النوافذ”. تحتاج البكتيريا الزرقاء إلى شيء يمكنهم الارتباط به وتشكيل مجتمع مع جيرانهم. تسمح أقطابنا الكهربائية بالتوازن بين السطح الكبير والكثير من الضوء ، مثل ناطحة سحاب زجاجية. »

بمجرد أن أصبحت البكتيريا الزرقاء المُجمَّعة ذاتيًا في منزلها “السلكي” الجديد ، وجد الباحثون أنها كانت أكثر كفاءة من تقنيات الطاقة الحيوية الحالية الأخرى ، مثل الوقود الحيوي. أدت هذه التقنية إلى زيادة كمية الطاقة المستخرجة بأكثر من ترتيب من حيث الحجم مقارنة بالطرق الأخرى لإنتاج الطاقة الحيوية من عملية التمثيل الضوئي.

قال تشانغ: “لقد فوجئت بأننا تمكنا من الوصول إلى الأرقام التي حصلنا عليها – تم توقع أرقام مماثلة لسنوات عديدة ، ولكن هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها عرض هذه الأرقام بشكل تجريبي”. البكتيريا الزرقاء هي مصانع كيميائية متعددة الاستخدامات. يتيح لنا نهجنا الاستفادة من مسار تحويل الطاقة في مرحلة مبكرة ، مما يساعدنا على فهم كيفية قيامهم بتحويل الطاقة حتى نتمكن من استخدام مساراتهم الطبيعية لإنتاج أنواع الوقود أو المنتجات المتجددة.

المرجع: “أقطاب صفيف الأعمدة الهرمية ثلاثية الأبعاد المطبوعة من أجل التمثيل الضوئي شبه الاصطناعي عالي الأداء” ، 7 مارس 2022 ، المواد الطبيعية.
DOI: 10.1038 / s41563-022-01205-5

تم تمويل البحث جزئيًا من قبل مجلس أبحاث التكنولوجيا الحيوية والعلوم البيولوجية ، وصندوق كامبريدج ترست ، وصندوق إسحاق نيوتن ومجلس البحوث الأوروبي. جيني زانغ هي زميلة BBSRC David Phillips في قسم الكيمياء وزميلة في كلية كوربوس كريستي ، كامبريدج.


Source link

مقالات ذات صلة

أضف تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

Back to top button