由 Yusuf Hamied 化學系的 Jenny Zhang 領(lǐng)導(dǎo)的英國劍橋大學的一組研究人員成功展示了細菌和光合作用在太陽能收集中的應(yīng)用。

當我們想到能量收集選項時，想到的明顯可能性可能是太陽能和光伏、振動和壓電傳感器、風力和水輪機，或者可能是熱電偶。

但為什么要局限于這種傳統(tǒng)思維呢?正如劍橋大學的研究小組所展示的那樣，事實證明還有其他物質(zhì)可以收集能量。他們將太陽能(那些預(yù)先包裝好的純能量束)與一種專門的細菌結(jié)合起來，產(chǎn)生少量但有用的電力。

然而，這一舉措不僅僅是在培養(yǎng)皿中裝滿適當?shù)募毦缓筮B接幾根電線。相反，劍橋大學的團隊使用 3D 氣溶膠噴射打印來構(gòu)建使用氧化銦錫 (ITO) 納米顆粒的定制電極結(jié)構(gòu)，從而創(chuàng)建“高樓的‘納米外殼’網(wǎng)格，讓喜歡陽光的細菌可以快速生長，”根據(jù)大學的說法劍橋的新聞稿。

通過 3D 打印具有優(yōu)化高度和間距的 ITO 微晶格，然后將光敏細菌注入其中，研究人員開發(fā)了一種高效的太陽能能量收集源。

然后他們從光合作用中提取出細菌的廢電子。

“其他研究團隊已經(jīng)從光合細菌中提取能量，但劍橋大學的研究人員堅持認為，為他們提供正確的‘家’會使他們可以提取的能量增加一個數(shù)量級以上，”劍橋大學說。

令人驚訝的是，使用的光合細菌并不是稀有的“物種”。這些藍藻(正式命名為藍藻Synechocystis sp. PCC 6803)是自由生活、自我修復(fù)的細菌，研究人員解釋說，它們是地球上最豐富的生命形式之一。沒有解釋他們是如何確定的，但我會相信他們的話。

多年來，研究人員一直試圖“重新連接”藍藻的光合作用機制以提取它們的能量。

“實際上可以從光合系統(tǒng)中提取多少能量存在瓶頸，但沒有人知道瓶頸在哪里，”張說?！按蠖鄶?shù)科學家認為瓶頸在生物方面，在細菌中，但我們發(fā)現(xiàn)一個實質(zhì)性的瓶頸實際上是在物質(zhì)方面?！?

藍藻需要大量的陽光才能生長，它們必須連接到電極上以提取它們通過光合作用產(chǎn)生的能量。為了為細菌提供結(jié)構(gòu)和電連接，研究人員選擇 ITO 電極作為材料，因為它具有惰性、導(dǎo)電性、光散射和生物相容性的理想組合。

“電極具有出色的光處理性能，就像一個有很多窗戶的高層公寓，”張說?！八{藻需要它們可以附著并與鄰居形成社區(qū)的東西。我們的電極可以在大量表面積和大量光線之間取得平衡——就像一座玻璃摩天大樓?！?

由于這些電極是由劍橋團隊定制印刷的，研究人員能夠?qū)Σ煌碾姌O長度、直徑和面密度進行試驗。他們進行了多次測試和分析，以更好地了解各種參數(shù)之間的關(guān)系。由于這是一個學術(shù)項目，因此有很多值得探索的地方。

該團隊找到了這些參數(shù)的最佳組合，以物理支持細菌，將其表面暴露在光線下并收集電力。

憑借 600 μm 的微柱高度，他們達到了 245 μA/cm 2的光電流密度，外部量子效率高達 29%，他們說這比現(xiàn)有方法好一個數(shù)量級。

研究人員的工作在他們的論文“用于高性能半人工光合作用的 3D 打印分層柱陣列電極”中進行了詳細介紹，該論文發(fā)表在 Nature Materials 上。此外，還發(fā)布了一個 21 頁的補充信息文件，我發(fā)現(xiàn)這些補充包通常比原始文件提供更多信息，因為它們不受長度限制。他們還討論了初始過程、權(quán)衡、參數(shù)變化(最優(yōu)和次優(yōu))和測試安排。

怎么想?大量暴露在外的細菌，連同其所有的混亂和“不良”因素，能否用于基于太陽能的能量收集?或者這真的是一個有趣且內(nèi)容豐富的學術(shù)活動，由于實際——也許是美學——的原因，其結(jié)果幾乎不可能被接受?