I sistemi bioelettrochimici combinano il meglio di entrambi i mondi - cellule microbiche con materiali inorganici - per produrre combustibili e altre sostanze chimiche ricche di energia con un'efficienza senza pari. Eppure le difficoltà tecniche li hanno resi impraticabili ovunque tranne che in un laboratorio. Ora i ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hanno sviluppato una nuova membrana su scala nanometrica che potrebbe affrontare questi problemi e aprire la strada a un'espansione commerciale.

La membrana su scala nanometrica è incorporata con fili molecolari che contemporaneamente separano chimicamente, ancora accoppiato elettrochimicamente, un catalizzatore microbico e inorganico sulla scala di lunghezza più breve possibile. Questa nuova architettura modulare, descritto in un articolo pubblicato di recente in Comunicazioni sulla natura , apre un ampio spazio di progettazione per la costruzione di sistemi elettrochimici bioibridi scalabili per una varietà di applicazioni, compresa la produzione di energia elettrica, bonifica dei rifiuti, e recupero delle risorse, oltre alla sintesi chimica.

Il lavoro è stato condotto da Heinz Frei, uno scienziato senior presso la Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division (MBIB) del Berkeley Lab, e Caroline Ajo-Franklin, uno scienziato del personale con la fonderia molecolare di Berkeley Lab che ha un incarico secondario in MBIB.

"Questo progresso introduce un'architettura completamente nuova per i sistemi bioelettrochimici basata sull'integrazione su nanoscala e fornisce un percorso per portare questi sistemi a un livello commercialmente rilevante, " disse Frei. "Inoltre, fornisce un esempio di come un principio di progettazione chiave ispirato dalla biologia viene applicato per risolvere un'importante lacuna scientifica dei sistemi ingegnerizzati."

I sistemi elettrochimici bioibridi impiegano catalizzatori microbici e inorganici separati nella riduzione dell'ossidazione, o redox, reazioni, per capitalizzare i punti di forza complementari di ogni componente. I microbi possono sintetizzare molecole complesse con elevata selettività, mentre i catalizzatori inorganici sono i collettori di energia più efficienti. Tali sistemi bioibridi sono interessanti come tecnologia sostenibile per produrre combustibili e prodotti chimici di alto valore utilizzando energia rinnovabile.

Ma, una sfida fondamentale nella progettazione di sistemi bioibridi è che gli ambienti che supportano la funzione ottimale delle cellule viventi e dei materiali inorganici sono chimicamente incompatibili, con conseguente tossicità, corrosione, o reazioni incrociate che degradano l'efficienza. Ad oggi, l'approccio è stato quello di mantenere le componenti biologiche e abiotiche fisicamente separate da distanze macroscopiche (millimetro per centimetro). Tuttavia ciò comporta un costo elevato in termini di efficienza, dovute a perdite di resistenza (dell'ordine del 25 percento della tensione della cella) causate dal trasporto di ioni tra i componenti, rendendo impraticabile il passaggio a livelli commercialmente rilevanti.

Nei sistemi elettrochimici, ampiamente parlando, una reazione di ossidazione all'anodo e una reazione di riduzione al catodo creano una forza motrice per il flusso degli elettroni, convertendo così l'energia chimica in energia elettrica o viceversa. Come prova di concetto, i ricercatori hanno accoppiato elettrochimicamente Shewanella oneidensis, un batterio anaerobico, ad un catalizzatore inorganico, diossido di stagno (SnO2). A 2 nanometri di spessore, la membrana di silice ha consentito il flusso di corrente bloccando il trasporto di ossigeno e altre piccole molecole.

Questo studio si basa sul lavoro precedente del gruppo di Frei in cui hanno fabbricato un fotosistema artificiale di dimensioni di un pollice quadrato, sotto forma di un array di nanotubi core-shell inorganico, e dal gruppo di Ajo-Franklin in cui l'intuizione a livello molecolare ha rivelato come la proteina della membrana cellulare esterna interagisce con una superficie di ossido inorganico.