Техника исследователей, сообщил в Нано ACS как «синтетическая фиолетовая мембрана», важный шаг к производству чистого топлива, которое может помочь решить глобальные энергетические проблемы.Эти синтетические фиолетовые мембраны содержат крошечные диски органических соединений, названных липидами, сделанными человеком белками и полупроводниковыми наночастицами, которые, когда взято вместе, могут преобразовать солнечный свет в водородное топливо.«В отличие от некоторых других современных подходов, мы были в состоянии использовать безвредные для окружающей среды, материалы без кадмия, чтобы заставить эту наноархитектуру работать эффективно под видимым светом», сказала Елена Рожкова, ученый из Центра Аргонна Наноразмерных Материалов и автора исследования.
Главный в искусственном шаблоне, созданном исследователями Аргонна, искусственно произведенный бактериородопсин. Этот белок обычно находится в мембранах Halobacterium salinarum, древний одноклеточный организм, который живет в чрезвычайных условиях с высоким содержанием соли, таких как Большое Соленое озеро Юты и горячих источниках Йеллоустонского национального парка, появляясь как фиолетовые перья воды.
У бактерий белок использует энергию от видимого света, чтобы накачать протоны через клеточную мембрану, создавая электрический градиент использование организма, чтобы произвести и сохранить химическую энергию.«Эта синтетическая система дает нам способность повторно формировать древний биологический процесс для нового и полезного заявления на энергию», добавила Рожкова. «В естественной фиолетовой мембране бактерии используют бактериородопсин, чтобы получить энергию от света. Синтетические фиолетовые мембраны позволяют нам использовать нанотехнологические инструменты, которые мы создали, чтобы приспособить это, чтобы произвести энергию и удовлетворить потребности человека», сказала она.
«Мы не изолируем естественную систему, чтобы произвести энергию от солнечного света, а скорее мы строим абсолютно сделанную человеком систему для выражения разработанного белка без потребности в биологических клетках, и затем объединяем их с полупроводниковыми частицами».Ранее, платформа синтеза белка без клеток использовалась для структурной биологии и производственных белков для медицинского применения.
«Поэтому мы используем нанодиски – они подражают биологической мембране, которая обычно поддерживает бактериородопсин и позволяет его функцию», сказала Рожкова.Чтобы создать синтетическую версию мембранного белка, исследователи использовали минимум ключевых элементов клетки: нанодиски, синтетическая ДНК, которая закодировала белок, другие биологические компоненты, необходимые для производства белка, включая аминокислоты, и также изолировала белок рибосомы производственное оборудование. Это привело к успешному выражению синтетического бактериородопсина через нанодиски.«Процесс искусственного синтеза белка визуализировался с большой точностью, используя высокое разрешение, просматривая микроскопию исследования», сказала Вэл Новозэд, материаловед из Аргонна.
После того, как подготовленный, синтетические фиолетовые мембраны были собраны с наночастицами диоксида титана для водородной эволюции под видимым светом. Результаты показывают, что совершенно сделанная человеком система использовала энергию от света, чтобы произвести водород с подобной или еще более высокой эффективностью по сравнению с системами на основе бактериальной фиолетовой мембраны.
«Когда искусственный измененный белком диоксид титана поглощает видимый свет, он использует энергию света произвести электроны, которые в конечном счете взаимодействуют с протонами на поверхности сокатализатора, чтобы сформировать водород», сказал Пенг Ван, бывший Аргонн постдокторский назначенец и другой автор исследования.Исследование подчеркивает способность полупроводника использовать энергию от видимого света в противоположность ультрафиолетовому (ультрафиолетовому) свету, функция, главная в исследовании возобновляемой энергии.
«Всего света, входящего от солнца, только приблизительно четыре процента из него содержат Ультрафиолетовый свет, который делает Ультрафиолетовый свет не наилучшим вариантом с точки зрения выработки энергии. Кроме того, Ультрафиолетовый свет вреден для окружающей среды», добавил Ван.