使用3D 打印构建能够进行太阳能收集的细菌

由 Yusuf Hamied 化学系的 Jenny Zhang 领导的英国剑桥大学的一组研究人员成功展示了细菌和光合作用在太阳能收集中的应用。

当我们想到能量收集选项时，想到的明显可能性可能是太阳能和光伏、振动和压电传感器、风力和水轮机，或者可能是热电偶。

但为什么要局限于这种传统思维呢?正如剑桥大学的研究小组所展示的那样，事实证明还有其他物质可以收集能量。他们将太阳能(那些预先包装好的纯能量束)与一种专门的细菌结合起来，产生少量但有用的电力。

然而，这一举措不仅仅是在培养皿中装满适当的细菌，然后连接几根电线。相反，剑桥大学的团队使用 3D 气溶胶喷射打印来构建使用氧化铟锡 (ITO) 纳米颗粒的定制电极结构，从而创建“高楼的‘纳米外壳’网格，让喜欢阳光的细菌可以快速生长，”根据大学的说法剑桥的新闻稿。

通过 3D 打印具有优化高度和间距的 ITO 微晶格，然后将光敏细菌注入其中，研究人员开发了一种高效的太阳能能量收集源。

然后他们从光合作用中提取出细菌的废电子。

“其他研究团队已经从光合细菌中提取能量，但剑桥大学的研究人员坚持认为，为他们提供正确的‘家’会使他们可以提取的能量增加一个数量级以上，”剑桥大学说。

令人惊讶的是，使用的光合细菌并不是稀有的“物种”。这些蓝藻(正式命名为蓝藻Synechocystis sp. PCC 6803)是自由生活、自我修复的细菌，研究人员解释说，它们是地球上最丰富的生命形式之一。没有解释他们是如何确定的，但我会相信他们的话。

多年来，研究人员一直试图“重新连接”蓝藻的光合作用机制以提取它们的能量。

“实际上可以从光合系统中提取多少能量存在瓶颈，但没有人知道瓶颈在哪里，”张说。“大多数科学家认为瓶颈在生物方面，在细菌中，但我们发现一个实质性的瓶颈实际上是在物质方面。”

蓝藻需要大量的阳光才能生长，它们必须连接到电极上以提取它们通过光合作用产生的能量。为了为细菌提供结构和电连接，研究人员选择 ITO 电极作为材料，因为它具有惰性、导电性、光散射和生物相容性的理想组合。

“电极具有出色的光处理性能，就像一个有很多窗户的高层公寓，”张说。“蓝藻需要它们可以附着并与邻居形成社区的东西。我们的电极可以在大量表面积和大量光线之间取得平衡——就像一座玻璃摩天大楼。”

由于这些电极是由剑桥团队定制印刷的，研究人员能够对不同的电极长度、直径和面密度进行试验。他们进行了多次测试和分析，以更好地了解各种参数之间的关系。由于这是一个学术项目，因此有很多值得探索的地方。

该团队找到了这些参数的最佳组合，以物理支持细菌，将其表面暴露在光线下并收集电力。

凭借 600 µm 的微柱高度，他们达到了 245 µA/cm 2的光电流密度，外部量子效率高达 29%，他们说这比现有方法好一个数量级。

研究人员的工作在他们的论文“用于高性能半人工光合作用的 3D 打印分层柱阵列电极”中进行了详细介绍，该论文发表在 Nature Materials 上。此外，还发布了一个 21 页的补充信息文件，我发现这些补充包通常比原始文件提供更多信息，因为它们不受长度限制。他们还讨论了初始过程、权衡、参数变化(最优和次优)和测试安排。

怎么想?大量暴露在外的细菌，连同其所有的混乱和“不良”因素，能否用于基于太阳能的能量收集?或者这真的是一个有趣且内容丰富的学术活动，由于实际——也许是美学——的原因，其结果几乎不可能被接受?