14:23 14 Dezember 2019
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    Solarkraftwerk in Russland (Archivbild)

    Forscher entwickeln Solarmodul durch Kombination von Protein- und Quantenpunkten

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    Wissenschaftler der MEPhI-Universität haben eine „Solarbatterie“ auf der Basis von Hybridmaterial aus Quantenpunkten und lichtempfindlichen Proteinen entwickelt und sehen darin ein großes Potenzial für Solarenergie und optische Informationsverarbeitung. Die Ergebnisse der Studie sind in der Zeitschrift Biosensors and Bioelectronics veröffentlicht.

    Proteine einzelliger Organismen Archaea - Bacteriorhodopsine - sind in der Lage, Lichtenergie in Energie chemischer Verbindungen (wie Chlorophyll in Pflanzen) zu verarbeiten. Dies ist auf die Übertragung einer positiven Ladung durch die Zellmembran zurückzuführen. Bacteriorhodopsin wirkt als Protonenpumpe und ist somit ein fertiges natürliches Element einer Solarbatterie.

    Ein wichtiger Unterschied zwischen Bacteriorhodopsin und Chlorophyll besteht darin, dass Bacteriorhodopsin ohne Sauerstoff arbeiten kann. Dadurch kann die Archaea in sehr aggressiven Umgebungen wie den Tiefen des Toten Meeres leben, was zu ihrer hohen chemischen, thermischen und optischen Stabilität geführt hat. Gleichzeitig verändert Bacteriorhodopsin durch das „Pumpen“ eines Protons die Farbe in Milliardstel Sekunden sehr oft, so dass es ein vielversprechendes Material für die Herstellung holographischer Prozessoren ist.

    Wissenschaftler der Moskauer Nationalen Universität für Nuklearforschung MEPhI konnten diese Eigenschaften von Bacteriorhodopsin signifikant verbessern und mit Quantenpunkten, Halbleiternanopartikeln, verknüpfen, die in der Lage sind, Lichtenergie auf einer Skala von wenigen Nanometern zu konzentrieren und ohne Lichtemission auf Bacteriorhodopsin zu übertragen.

    "Wir haben eine hocheffizient arbeitende lichtempfindliche Zelle geschaffen, die elektrischen Strom unter dem Einfluss von Licht mit sehr geringer Photonenenergie erzeugt. Unter normalen Bedingungen funktioniert eine solche Zelle nicht, da lichtempfindliche Moleküle wie Bakteriorhodopsin Licht nur in einem sehr engen Energiebereich absorbieren. Und Quantenpunkte tun dies in einem sehr weiten Bereich und können sogar zwei niederenergetische Photonen in ein hochenergetisches Photon umwandeln, als würden sie sie zusammenlegen", sagte einer der Autoren der Studie, MEPhI-Forscher Wiktor Kriwenkow.

    Durch die Schaffung von Bedingungen für die Strahlung eines Photons mit hoher Energie ist ein Quantenpunkt in der Lage, es nicht auszustrahlen, sondern an Bacteriorhodopsin zu übertragen, so Kriwenkow. So erhielt das MEPhI-Team eine Zelle, die in der Lage ist, mit Licht im Bereich von Ultraviolett bis Infrarot zu arbeiten.

    "Wir verfolgen eine interdisziplinäre Herangehensweise an der Schnittstelle von Chemie, Biologie, Teilchenphysik und Photonik. Quantenpunkte werden durch chemische Synthesemethoden erhalten und mit Molekülen beschichtet, die ihre Oberfläche gleichzeitig biokompatibel und geladen machen und dann an die Oberfläche von bakteriorhodopsinhaltigen purpurfarbenen Membranen von Archaea, Halobacterium salinarum archaea, gebunden werden. Als Ergebnis haben wir Hybridkomplexe, in denen die Effizienz der Energieübertragung vom Quantenpunkt zum Bakteriorhodopsin sehr hoch ist (etwa 80%)", sagte Igor Nabijew, führender Wissenschaftler des Nano-Bioengineering-Labors am MEPhI.

    Nach Ansicht der Autoren der Entwicklung zeigen die Ergebnisse das Potenzial für die Schaffung von hochwirksamen lichtempfindlichen Elementen auf der Grundlage von Biostrukturen. Sie sind nicht nur in der Solarenergie, sondern auch in der optischen Informationsverarbeitung einsetzbar.

    Die Autoren betonen eine sehr hohe Qualität des Nano-Bio-Hybrid-Materials und die Aussicht, die besten kommerziellen Produkte zu übertreffen und die Effizienz vielfach zu steigern. Die nächste Aufgabe des Forschungsteams in dieser Richtung ist die Optimierung der Struktur der lichtempfindlichen Zelle.

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    Tags:
    Energiewende, Quantenphysik, Nationale Universität für Nuklearforschung (MEPhi)