Le piante sono brave a fare ciò che scienziati e ingegneri hanno lottato per decenni:convertire la luce solare in energia immagazzinata, e farlo in modo affidabile giorno dopo giorno, anno dopo anno. Ora alcuni scienziati del MIT sono riusciti a imitare un aspetto chiave di quel processo.

Uno dei problemi con la raccolta della luce solare è che i raggi del sole possono essere altamente distruttivi per molti materiali. La luce del sole porta a un graduale degrado di molti sistemi sviluppati per sfruttarla. Ma le piante hanno adottato una strategia interessante per affrontare questo problema:scompongono costantemente le loro molecole che catturano la luce e le riassemblano da zero, quindi le strutture di base che catturano l'energia del sole sono, in effetti, sempre nuovo di zecca.

Quel processo è stato ora imitato da Michael Strano, il professore associato di ingegneria chimica Charles e Hilda Roddey, e il suo team di studenti laureati e ricercatori. Hanno creato un nuovo insieme di molecole autoassemblanti che possono trasformare la luce solare in elettricità; le molecole possono essere ripetutamente scomposte e poi riassemblate rapidamente, semplicemente aggiungendo o rimuovendo una soluzione aggiuntiva. Il loro articolo sul lavoro è stato pubblicato il 5 settembre in Chimica della natura .

Strano dice che l'idea gli è venuta per la prima volta mentre leggeva di biologia vegetale. "Sono rimasto davvero colpito da come le cellule vegetali abbiano questo meccanismo di riparazione estremamente efficiente, " lui dice. In pieno sole estivo, “una foglia su un albero ricicla le sue proteine ​​ogni 45 minuti circa, anche se potresti pensarla come una fotocellula statica.”

Uno degli obiettivi di ricerca a lungo termine di Strano è stato quello di trovare modi per imitare i principi trovati in natura utilizzando i nanocomponenti. Nel caso delle molecole utilizzate per la fotosintesi nelle piante, la forma reattiva dell'ossigeno prodotta dalla luce solare fa sì che le proteine ​​falliscano in modo molto preciso. Come lo descrive Strano, l'ossigeno “slaccia un legame che tiene insieme la proteina, ma le stesse proteine ​​vengono rapidamente riassemblate per riavviare il processo.

Questa azione si svolge all'interno di minuscole capsule chiamate cloroplasti che risiedono all'interno di ogni cellula vegetale - ed è qui che avviene la fotosintesi. Il cloroplasto è “una macchina straordinaria, ” dice Strano. “Sono motori straordinari che consumano anidride carbonica e utilizzano la luce per produrre glucosio, ” una sostanza chimica che fornisce energia per il metabolismo.

Per imitare quel processo, Strano e la sua squadra, sostenuto da sovvenzioni del MIT Energy Initiative, l'Eni Solar Frontiers Center del MIT e il Dipartimento dell'Energia, produce molecole sintetiche chiamate fosfolipidi che formano dischi; questi dischi forniscono supporto strutturale per altre molecole che rispondono effettivamente alla luce, in strutture chiamate centri di reazione, che rilasciano elettroni quando colpiti da particelle di luce. I dischi, portando i centri di reazione, si trovano in una soluzione in cui si attaccano spontaneamente ai nanotubi di carbonio, tubi cavi cavi di atomi di carbonio spessi pochi miliardesimi di metro ma più resistenti dell'acciaio e in grado di condurre elettricità mille volte meglio del rame. I nanotubi tengono i dischi fosfolipidi in un allineamento uniforme in modo che i centri di reazione possano essere tutti esposti contemporaneamente alla luce solare, e fungono anche da fili per raccogliere e incanalare il flusso di elettroni liberati dalle molecole reattive.

Il sistema prodotto dal team di Strano è composto da sette diverse mescole, compresi i nanotubi di carbonio, i fosfolipidi, e le proteine ​​che costituiscono i centri di reazione, che nelle giuste condizioni si assemblano spontaneamente in una struttura raccoglitrice di luce che produce una corrente elettrica. Strano afferma di ritenere che questo stabilisca un record per la complessità di un sistema autoassemblante. Quando un tensioattivo, simile in linea di principio alle sostanze chimiche che BP ha spruzzato nel Golfo del Messico per rompere il petrolio, viene aggiunto alla miscela, i sette componenti si sfaldano e formano una soluzione densa. Quindi, quando i ricercatori hanno rimosso il tensioattivo spingendo la soluzione attraverso una membrana, i composti spontaneamente assemblati ancora una volta in un formato perfettamente formato, fotocellula ringiovanita.

"Stiamo praticamente imitando i trucchi che la natura ha scoperto nel corso di milioni di anni" - in particolare, "reversibilità, la capacità di scomporre e rimontare, ” dice Strano. Il gruppo, che includeva il ricercatore post-dottorato Moon-Ho Ham e lo studente laureato Ardemis Boghossian, ha ideato il sistema sulla base di un'analisi teorica, ma poi ha deciso di costruire un prototipo di cella per testarlo. Hanno eseguito la cella attraverso ripetuti cicli di montaggio e smontaggio per un periodo di 14 ore, senza perdita di efficienza.

Strano afferma che nel concepire nuovi sistemi per generare elettricità dalla luce, i ricercatori non studiano spesso come i sistemi cambiano nel tempo. Per le celle fotovoltaiche convenzionali a base di silicio, c'è poco degrado, ma con molti nuovi sistemi in fase di sviluppo, o a costi inferiori, maggiore efficienza, flessibilità o altre caratteristiche migliorate:il degrado può essere molto significativo. “Spesso la gente vede, oltre 60 ore, l'efficienza scende al 10 percento di quella che hai visto inizialmente, " lui dice.

Le reazioni individuali di queste nuove strutture molecolari nella conversione della luce solare sono efficienti di circa il 40%, o circa il doppio dell'efficienza delle migliori celle solari di oggi. Teoricamente, l'efficienza delle strutture potrebbe essere vicina al 100%, lui dice. Ma nel lavoro iniziale, la concentrazione delle strutture nella soluzione era bassa, quindi l'efficienza complessiva del dispositivo — la quantità di elettricità prodotta per una data superficie — era molto bassa. Stanno lavorando ora per trovare modi per aumentare notevolmente la concentrazione.

Philip Collins '90, professore associato di fisica sperimentale e della materia condensata presso l'Università della California, Irvine, chi non era coinvolto in questo lavoro, dice, “Una delle restanti differenze tra dispositivi artificiali e sistemi biologici è la capacità di rigenerarsi e autoripararsi. Colmare questo divario è una promessa della nanotecnologia, una promessa che è stata pubblicizzata per molti anni. Il lavoro di Strano è il primo segno di progresso in questo campo, e suggerisce che la "nanotecnologia" si sta finalmente preparando ad avanzare oltre i semplici nanomateriali e compositi in questo nuovo regno".