Экспериментальная модель воспроизводит механизм фотосинтеза зелёных серных бактерий

Исследователи из Массачусетского технологического института (США) задались вопросом о пределе производительности систем, преобразующих солнечную энергию в электрическую. Источником вдохновения для их экспериментов стали зелёные серные бактерии…

…Процветающие в воде с температурой более 100 ˚С, которая поступает из горячих гидротермальных источников на морском дне. Фотосинтез, несмотря на то что они являются анаэробами, для них тоже характерен, но участвуют в нём бактериохлорофиллы c, d или e (придают бактериям окраску), однако кислород не выделяют.

В качестве донора электронов бактерии используют не воду, а FeO, ионы сульфидов и водород. Самое интересное то, на какой глубине они занимаются фотосинтезом. Отдельные виды обнаружены на глубинах в 2 500 метров: солнечного света там в значимых количествах нет. Разве что слабо светятся (нагрев) окрестности чёрных курильщиков. Вот это-то и питает зелёные серные бактерии. Сила такого «света» сравнима с освещённостью поверхности Земли в лунную ночь или, скажем, дна юпитерианской атмосферы тамошним днём.

Теперь вы понимаете, что КПД у них не может быть низким. Теоретическое ограничение эффективности фотоэлементов (54–55%) им также незнакомо, поэтому, согласно нынешним оценкам, они преобразуют свет с эффективностью в 98%. Сразу поясним: если бы нынешние массовые фотоэлементы были способны на нечто подобное, США вряд ли нуждались бы в таких экологически сомнительных источниках энергии, как сланцевый газ, да и японцы не перезапускали бы свои несчастные АЭС через год с небольшим после Фукусимы.

Зелёные серные бактерии доминируют не только на километровых глубинах: в некоторых геотермальные источниках Йеллоустонского парка их цвет тоже преобладает. (Фото MIT.)

Сейчас компании, производящие фотоэлементы, счастливы, если их образцам удаётся добиться 20% КПД. 1% на таком фоне кажется серьёзным прогрессом. Как легко догадаться, успешность бактерии, умудряющейся заняться фотосинтезом без солнечного света, кажется вызовом, и не ответить на него исследователи из МТИ просто не могли. И у них, похоже, есть результат.

Учёные создали искусственную систему, моделирующую процесс захвата света такой бактерией. По их мнению, если всё получится, это может полностью изменить облик нынешней солнечной энергетики. В созданной экспериментальной модели используются самособирающиеся системы молекул красителей, формирующих при самосборке двухслойные нанотрубки диаметром в 10 нм и длиной в десятки мкм.

Как видим, размер и форма зелёных серных бактерий довольно близки к оригинальным, а как с функциональностью? Теоретически используемые красители функционируют подобно бактериохлорофиллам — по механизму, сходному с ячейкой Гретцеля. А базируются они на цианине — синем красителе, который не так сложен «в эксплуатации», как бактериохлорофилл. Однако исследователи не ставили целью сразу добиться высокого КПД: важно было понять механизм захвата света зелёными серными бактериями.

Как говорят авторы работы, двухслойные нанотрубки представляют собой систему, в которой внешний и внутренний слои слабо связаны между собой, и электронный транспорт, играющий ключевую роль в фотосинтезе обычных растений, находится на вторых ролях. Первичным же механизмом взаимодействия является экситонный.

Экситон — это квазичастица, представляющая собой электронное возбуждение, мигрирующее по веществу и не связанное с переносом электрического заряда и массы. Такой способ взаимодействия при некоторых условиях, согласно героям заметки, может оказаться более эффективным (менее затратным энергетически), чем стандартный электронный транспорт, применяемый теми же высшими растениями. Весьма важно, что в ходе эксперимента впервые удалось создать систему, способную вырабатывать энергию по столь необычному и многообещающему механизму. Для изучения пределов эффективности в ближайшее время будет построено ещё несколько экспериментальных установок такого рода.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Chemistry.

Подготовлено по материалам MIT News.