Бактерии и нанопровода для создания органических молекул

«Эти кремниевые нанопроволоки похожи на антенны. Они захватывают солнечный фотон, как солнечная панель». «Внутри этих кремниевых нанонитей генерируются электроны и поглощаются бактериями. Затем бактерии поглощают CO₂, создают химическую реакцию и производят ацетат»

Американские химики сообщили о «важной вехе» в своем стремлении объединить бактерии и нанопроволоки в гибридной системе, где энергия солнечного света используется для поддержания процесса преобразования углекислого газа CO₂ и воды, результатом которого становится создание строительных блоков для органических молекул.

Такой биогибрид, говорят они, может поглощать CO₂ из воздуха и производить органические соединения для дальнейшего их использования в производстве топлива, лекарств и других органических соединений.

Система работает аналогично фотосинтезу в растениях

Нанопроволоки представляют собой кремниевые структуры размером примерно с одну сотую ширины человеческого волоса. Они могут использоваться в качестве электронных компонентов, датчиков и солнечных элементов.

В статье, опубликованной в журнале Joule, исследователи сообщают о плотной упаковке бактерий вида Sporomusa ovata в структуру из кремниевой нанопроволоки для достижения рекордной эффективности: около 3,6% поступившей солнечной энергии преобразовывается в углеродные связи, форму ацетатных молекул. Это значительно лучше достигнутого пять лет назад показателя в 0,4%.

Регулировка pH электролита и его объема в буферной емкости способствуют образованию плотноупакованного катода из нанопроволок и бактерий. В полученном биогибриде плотность тока достигала примерно 0,65 мА на см². В сочетании с фотоэлектрическим устройством система обеспечивала получение солнечно-ацетатной продукции из CO₂, света и воды в течение 7 дней.

Фото: Устройство для улавливания CO₂. Левая камера содержит гибрид нанопроволок и бактерий. Кислород вырабатывается справа. Предоставлено: PEIDONG YANG/UC BERKELEY

Один из исследователей отметил, что в процессе повышения эффективности за счет упаковки большего количества бактерий в структуру из кремниевой нанопроволоки, которая для осуществления химической реакции непосредственно снабжает их электронами, они начинают отделяться от нанопроводов, разрывая цепь. В итоге было обнаружено, что, когда бактерии производили ацетат, это приводило к уменьшению кислотности окружающей воды, что заставляло их отделяться.

Поддержание необходимого уровня кислотности позволило решить эту проблему, позволив бактериям плотно упаковываться вокруг нанопроволоки. Плотная упаковка обеспечивает более эффективное преобразование солнечной энергии в углеродные связи.

В экспериментальном процессе структура из нанопроволоки использовалась только в качестве проводника, а не солнечного поглотителя, задачи которого полностью выполняла фотоэлектрическая панель. Однако предполагается, что в реальной системе нанопровода будут поглощать свет, генерировать электроны и транспортировать их к упакованным в них бактериям.

Бактерии поглощают электроны и, подобно тому, как растения производят сахара, превращают две молекулы углекислого газа и воду в ацетат, а также побочный кислород.

«Эти кремниевые нанопроволоки похожи на антенны. Они захватывают солнечный фотон, как солнечная панель». «Внутри этих кремниевых нанонитей генерируются электроны и поглощаются бактериями. Затем бактерии поглощают CO₂, создают химическую реакцию и производят ацетат».