Krzem i Słońce

W swoim biurze na plaży z widokiem na kanał Santa Barbara Daniel Morse ostrożnie odwija ​​jeden ze swoich cenionych okazów. Misterna siatka z błyszczących włókien szklanych wygląda jak dzieło sztuki abstrakcyjnej lub szczegółowy model architektoniczny wieżowca. Ale w rzeczywistości jest to szkielet jednego z najbardziej prymitywnych organizmów wielokomórkowych, jakie wciąż istnieją – gatunku gąbki morskiej powszechnie znanej jako kosz kwiatów Wenus. Morse, biolog molekularny z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara, chce wiedzieć, jak tak proste stworzenie może złożyć tak skomplikowaną strukturę. A potem chce wykorzystać tę wiedzę, tworząc własne egzotyczne struktury.

Daniel Morse trzyma gatunek gąbki morskiej powszechnie znanej jako kosz kwiatów Wenus. (Źródło: Gregg Segal)

Niska gąbka znalazła niezwykłe rozwiązanie problemu, który od dziesięcioleci intrygował czołowych chemików i naukowców zajmujących się materiałami na świecie: jak uzyskać proste materiały nieorganiczne, takie jak krzem, aby złożyć się w złożone nano- i mikrostruktury. Obecnie wykonanie urządzenia w mikroskali – powiedzmy tranzystora dla mikroprocesora – oznacza fizyczne wycięcie go z płyty krzemu; jest to kosztowny i wymagający proces. Ale natura ma znacznie prostsze sposoby na tworzenie równie złożonych mikrostruktur, używając wyłącznie chemii – mieszając ze sobą związki we właściwej kombinacji. Szczególnie elegancka jest metoda gąbki. Siedząc na dnie morskim tysiące metrów pod powierzchnią zachodniego Pacyfiku, gąbka ekstrahuje kwas krzemowy z otaczającej wody morskiej. Przekształca kwas w dwutlenek krzemu – krzemionkę – który, dzięki niezwykłemu wyczynowi inżynierii biologicznej, składa się następnie w precyzyjną, trójwymiarową strukturę, która jest szczegółowo odwzorowywana przez każdego przedstawiciela gatunku.

Ta historia była częścią naszego wydania z listopada 2006 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Morse mówi, że osiągnięcie tych gąbek jest tak imponujące, że nie wymagają toksycznych chemikaliów i wysokich temperatur niezbędnych do wytwarzania przez człowieka złożonych struktur nieorganicznych. Mówi, że gąbka może montować skomplikowane struktury znacznie wydajniej niż inżynierowie pracujący z tymi samymi materiałami półprzewodnikowymi.

To prymitywne stworzenie i szereg innych organizmów morskich stały się inspiracją dla badaczy, którzy mają nadzieję znaleźć prostsze i tańsze sposoby budowania struktur nieorganicznych, takich jak urządzenia półprzewodnikowe, do wykorzystania w mikrochipach komputerowych, zaawansowanych materiałach i ogniwach słonecznych. Celem jest sprawienie, aby krzem i inne substancje nieorganiczne samoorganizowały się w działającą elektronikę w taki sam sposób, w jaki gąbka składa krzemionkę w złożone kształty (patrz Inne w materiałach inspirowanych biologią ,) . Energochłonne, warte miliardy dolarów obiekty do produkcji półprzewodników mogą zostać zastąpione przez kadzie z reagującymi związkami. Jednak podczas gdy praktyczne procesy przemysłowe są jeszcze trochę odległe, naukowcy zaczynają rozumieć, w jaki sposób gąbki i inne stworzenia morskie dokonują swoich cudów mikroinżynieryjnych.

Na przykład Morse i jego zespół już wykorzystują biologiczne sztuczki wyuczone z gąbki, aby tworzyć nowe formy półprzewodników o intrygujących właściwościach elektronicznych, w tym zdolności do przekształcania światła w elektryczność – właściwości, które mogą być przydatne w tworzeniu tańszych i wydajniejszych ogniw słonecznych . Jego grupa, jak mówi Morse, buduje konstrukcje, których nigdy wcześniej nie osiągnięto.

Zaczynać od początku

W zbiornikach z wodą morską na zewnątrz laboratorium Morse'a roi się od kolorowych rozgwiazd i korallimorfarzy, egzotycznych stworzeń podobnych do ukwiałów. Ale Morse i James Weaver, stażysta w laboratorium, są bardziej zainteresowani niepozornym, rdzawym kleksem: pomarańczową gąbką purchawek, rodzajem gąbki, która zwykle żyje w szczelinach skalnych tuż przy wybrzeżu Santa Barbara. Jeśli kosz kwiatów Wenus to szklana katedra gąbek, to jest to chata ze słomy. Wydaje się, że bezkształtne stworzenie wcale nie ma szkieletu; ale kiedy naukowcy rozpuścili żywy materiał z jego zewnętrznej strony, pozostała garść maleńkich szklanych igieł, każda o długości zaledwie dwóch milimetrów i cieńsza od ludzkiego włosa.

Chociaż Morse ostatecznie chce zrozumieć bardziej złożone szkielety gąbki, te proste igły są dobrym punktem wyjścia. Naukowcy od dawna wiedzą, że w rdzeniu szklanych igieł znajdują się pasma białek, ale nikt nie rozumiał, co robiły i jak mają związek z konstrukcją igieł. Tak więc Morse i jego koledzy zaczęli od wyizolowania kodu genetycznego jednego z białek – które jako rodzina nazwali krzemianami – i przeanalizowali swoje wyniki w ogromnej bazie danych znanych białek. Nie spodziewali się meczu, ale znaleźli go – natychmiast. Białko było podobne do proteazy, enzymu znajdującego się w ludzkim jelicie, który bierze udział w rozkładzie i trawieniu pokarmu.

To było bardzo dziwaczne, mówi Weaver. Dlaczego białko, które kształtuje szklisty szkielet gąbki, ma coś wspólnego z proteazą? Naukowcy zaczęli podejrzewać, że krzemiany nie służyły jedynie jako pasywny szablon. Rzeczywiście, odkryli, że w przeciwieństwie do innych badanych wcześniej enzymów, krzemiany mogą spełniać podwójną funkcję. Aktywnie wytwarza materiały budowlane, takie jak tlenek krzemu – w pewnym sensie, poprzez trawienie związków zawartych w wodzie morskiej – a następnie powoduje, że materiały układają się wzdłuż swojej długości, tworząc szkło w kształcie igły szkieletu gąbki. Morse mówi, że żaden taki enzym nie został odkryty we wszystkich badaniach biomineralizacji, które trwają od kilkuset lat.

Morse wywnioskował, że skoro krzemiany są tak dobre w wytwarzaniu tlenku krzemu, mogą również być w stanie wytwarzać rodzaje tlenków metali, które są dobrymi półprzewodnikami w elektronice i niektórych rodzajach ogniw słonecznych. On miał rację. Morse mówi, że przy 16 stopniach Celsjusza, temperaturze, w której gąbka żyje w chłodnej wodzie tuż przy naszym laboratorium, enzym ten katalizuje powstawanie i stabilizuje tworzenie się form krystalicznych półprzewodników z tlenków metali, których nie można wytworzyć konwencjonalnie z wyjątkiem bardzo wysokich temperatur.

Wynik sugerował tańszy sposób wytwarzania półprzewodników w niższych temperaturach, ale istniał potencjalny problem: zanieczyszczenie. Biolog jest zachwycony, gdy uzyskuje czystość, powiedzmy, 90 procent. Chemik jest zachwycony, gdy uzyska czystość na poziomie 99 procent, mówi Morley Stone, biochemik, który kieruje badaniami w dziedzinie biotechnologii i materiałów dla Air Force Research Labs w bazie sił powietrznych Wright-Patterson niedaleko Dayton w stanie Ohio. Ale inżynier elektronik lub ktoś inny, kto musi robić urządzenia – chcą widzieć materiały, które mają za sobą przynajmniej pięć dziewiątek czystości. Dodaje: Często, stosując te biologiczne podejścia, można wyhodować kilka interesujących rzeczy i uzyskać kilka interesujących morfologii, ale nie są one ani trochę bliskie osiągnięcia czystości stanu końcowego, której potrzebna byłaby w końcowym urządzeniu.

Morse i jego koledzy wiedzieli, że jeśli mają nadzieję stworzyć materiały półprzewodnikowe do tanich, ale wydajnych ogniw słonecznych, prawdopodobnie potrzebowaliby techniki syntezy chemicznej, która wzorowałaby się na gąbkach, ale unikała niechlujnej biologii. Odkryli, że sekret gąbki polega na tym, że chemiczne grupy aminowe i hydroksylowe w enzymie wytwarzają tlenek krzemu i łączą go w wymagany sposób. Oznaczało to, że wszystkie chemikalia, których wymagałaby nowa technika syntezy, można znaleźć w amoniaku i wodzie. Naukowcy odkryli, że mieszając cząsteczki zawierające prekursory tlenków metali z wodą, a następnie wystawiając mieszaninę na działanie gazowego amoniaku, mogą tworzyć cienkie warstwy wysoce krystalicznych półprzewodników – materiałów przydatnych w elektronice. To przełom, który wprowadza nas w dziedzinę praktycznej użyteczności, mówi Morse.

Ponadto kryształy mają złożoną nanostrukturę, która może poprawić wydajność urządzeń fotowoltaicznych. W pobliżu powierzchni wody koncentracja gazowego amoniaku jest stosunkowo duża, więc to tutaj zaczyna tworzyć się kryształ półprzewodnika. Ponieważ amoniak powoli dyfunduje w głąb wody, powoduje wzrost kryształów w mieszaninie, tworząc cienką warstewkę, która nie jest jednolita, ale składa się raczej z sieci igieł lub płaskich płytek o grubości zaledwie kilku miliardowych części metra. Ta sieć mogłaby być podstawą bardziej wydajnego ogniwa słonecznego.

Słoneczne sny

Ogniwa słoneczne z krzemu krystalicznego, które obecnie dominują na rynku fotowoltaicznym, są drogie – tak drogie, że wytwarzana przez nie energia kosztuje kilka razy więcej niż energia wytwarzana z paliw kopalnych. Jednym z powodów jest wysoka cena ich surowców. Krzem jest niezwykle bogaty na ziemi, ale nie istnieje jako czysty pierwiastek; zamiast tego jest związany z tlenem i innymi pierwiastkami – na przykład w piasku. Wytwarzanie czystego krzemu wymaga dużej ilości energii.

Aby obniżyć koszty ogniw słonecznych, naukowcy szukali sposobów na zmniejszenie ilości zużywanego krzemu. Niektórzy zwrócili się w stronę tańszych cienkich folii wykonanych z tellurku kadmu lub diselenku miedzi i indu. Niezwykle cienkie warstwy tych nowych półprzewodników mogą pochłaniać taką samą ilość światła, jak grubsze płyty krzemu krystalicznego. Technika wytwarzania Morse'a może być niedrogim sposobem na wykonanie tak cienkich folii; ponadto nanostruktura, którą wytwarza jego metoda, szczególnie dobrze nadaje się do pochłaniania światła i przekształcania go w energię.

Wyzwaniem w projektowaniu ogniw słonecznych jest upewnienie się, że elektrony odrywane, gdy światło uderza w półprzewodnik, wytwarzają prąd. Kiedy foton uderza w materiał ogniwa słonecznego, wynikiem jest zarówno swobodny elektron, jak i jego dodatni odpowiednik, zwany dziurą. Jeśli można je szybko rozdzielić na przeciwległe elektrody, powstaje prąd elektryczny. Jednak trudność w ich rozdzieleniu, zanim ponownie połączą się i rozproszą energię jako ciepło, jest jedną z głównych przeszkód dla bardziej wydajnych ogniw słonecznych, mówi Aravinda Kini, kierownik programu badań nad materiałami biomolekularnymi w Departamencie Energii USA.

Struktury Morse'a mogą pokonać tę blokadę. Sieć wypustek krystalicznych może być zanurzona w przezroczystej elektrodzie stałej lub ciekłej. Światło przechodziłoby przez elektrodę, gdzie zostałoby pochłonięte przez kryształ. Ponieważ powierzchnia strukturyzowanej cienkiej warstwy jest duża (w jednym materiale, 90 do 100 razy większa niż w przypadku tradycyjnej cienkiej warstwy), wiele par elektron-dziura generowanych przez światło znajdowałoby się w pobliżu interfejsu elektrod; w rezultacie mogły szybko się rozdzielić, przy czym jeden nośnik ładunku przemieszczał się do przezroczystej elektrody, a drugi przemieszczał się przez kryształ, aby wyjść na przeciwległej elektrodzie.

Morse i współpracownicy już wykonali ponad 30 rodzajów cienkich warstw półprzewodnikowych i przetestowali ich właściwości fotowoltaiczne. Obecnie pracują nad włączeniem półprzewodników do funkcjonalnych ogniw słonecznych. Jednocześnie Morse kontynuuje opracowywanie nowych, inspirowanych biologicznie metod montażu materiałów, mając na uwadze dodatkowe zastosowania, w tym urządzenia półprzewodnikowe do bezpieczniejszych baterii o większej mocy i mniejszych chipach pamięci; interesuje się również tworzeniem włókien laminowanych do ultrawytrzymałych materiałów budowlanych.

Ale choć jest podekscytowany potencjalnymi zastosowaniami swojej pracy, Morse pozostaje w głębi serca biologiem molekularnym. Nawet gdy mówi o tym, jak jego badania mogą doprowadzić do lepszych ogniw słonecznych, patrzy przez okno na delfiny bawiące się w porcie. I nadal jest oddany zrozumieniu mechanizmu stojącego za złożonością gąbki. Po raz kolejny bada przepiękny szkielet kosza z kwiatami Wenus, choć bez wątpienia widział go tysiące razy. To zostało wykonane ze szkła przez żywą istotę, wykrzykuje. To niesamowite!

Kevin Bullis jest Przegląd technologii redaktor działu nanotechnologii i materiałoznawstwa.

Inne w materiałach inspirowanych biologią

Badacz

Bramka

Strategia

Joannie Aizenberg,

Lucent Technologies, Murray Hill, NJ

Mocne, samonaprawiające się materiały budowlane i bardziej odporne światłowody

Zrozumienie, w jaki sposób gąbki łączą materiały nieorganiczne

Ilhana Aksaya,

Princeton
Uniwersytet

Materiały samoleczące i lepsze biosensory

Badanie muszli morskich i innych systemów biologicznych

Angelo Belcher,

Z

Lepsze baterie i zaawansowane materiały dla elektroniki, energetyki i medycyny

Inżynieria
wirusy do montażu materiałów

Samuela I. Stuppa,

północno-zachodnia
Uniwersytet

Lepsze czujniki i ogniwa słoneczne

Korzystanie z peptydów
kierować powstawaniem struktur nieorganicznych

ukryć