PDF Basket
Na pierwszy rzut oka natura i urządzenia elektroniczne zdają się istnieć na dwóch przeciwnych końcach spektrum. W końcu co wspólnego może mieć świat za oknem ze smartfonami i telewizorami LED?
Według zespołu badaczy z Uniwersytetu w Cambridge odpowiedź na to pytanie brzmi: „całkiem dużo”.
„Kiedy światło słoneczne pada na liść, uruchamia w nim fotosyntezę, która w zasadzie stanowi kaskadę procesów elektronicznych mających na celu przekształcenie i przechowywanie energii”, opowiada Florian Auras, jeden z badaczy. „Jako że bardzo podobny proces odpowiada za funkcjonowanie nowoczesnych urządzeń, możemy się wiele nauczyć, obserwując przyrodę”.
W ramach projektu EXMOLS, finansowanego ze środków UE i wspieranego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych, zespół z Uniwersytetu w Cambridge pracował właśnie nad tym zagadnieniem. „Wiemy, że w przyrodzie proces przekształcenia światła energię jest niezwykle złożony i wiąże się z misternymi strukturami obejmującymi dziesiątki czy nawet setki cząsteczek”, wyjaśnia Auras. „Niestety, nie jesteśmy jeszcze w stanie odtworzyć tak rozbudowanych, aktywnych pod względem elektronicznym systemów w laboratorium”.
Może się to jednak wkrótce zmienić dzięki nowym syntetycznym metodom i narzędziom opracowanym w ramach projektu. „Zrozumienie, co sprawia, że fotosynteza jest tak wydajna, jest kluczem do tworzenia bardziej efektywnych energetycznie urządzeń elektronicznych”, dodaje Auras. „Te nowe metody i narzędzia pomogą nam zyskać taką wiedzę”.
Zainspirowane naturą
Opierając się na naturalnej fotosyntezie, twórcy projektu opracowali metodę tworzenia struktur elektronicznych z molekularną precyzją. Na przykład: fotosystem rośliny wykorzystuje rusztowania białkowe, aby łączyć ze sobą aktywne cząsteczki i przekształcać je w funkcjonalną strukturę elektroniczną. Imitując ten proces, badacze z projektu EXMOLS opracowali technikę, która wykorzystuje zmodyfikowane syntetyczne DNA, aby łączyć fotoaktywne molekularne półprzewodniki.
„Każdy łańcuch DNA tworzy niepowtarzalną i precyzyjnie określoną strukturę podwójnej helisy z komplementarną sekwencją”, opowiada Jeffrey Gorman, pracujący nad projektem specjalista ds. DNA. „Nasza technika wykorzystuje ten sam, wysoce przewidywalny proces łączenia, aby tworzyć większe struktury i budować półprzewodniki w dokładnie zdefiniowanych stosach, co zwiększa ogólną wydajność”.
Mając możliwość precyzyjnego kontrolowania łączenia się półprzewodników, badacze zajęli się budową obwodów elektronicznych z wykorzystaniem kilku różnych cząsteczek, z których wiele w zwykłych warunkach nie łączy się ze sobą. Umożliwia to naukowcom zaprojektowanie nowych nanostruktur o z góry ustalonych właściwościach elektronicznych.
Innym ważnym wynalazkiem opracowanym w trakcie realizacji projektu była ultraszybka spektroskopia laserowa, dzięki której możliwe stało się obserwowanie niezwykle szybkich procesów elektronicznych zachodzących na poziomie samych molekuł.
Jak wyjaśnia Auras, taki nowy system spektroskopii laserowej pozwala badaczom na wykorzystywanie ekstremalnie krótkich impulsów laserowych w celu fotoindukowania próbek, a następnie tworzenia migawek stanów elektronicznych w różnych przedziałach czasowych. „Umożliwiło nam to prześledzenie ewolucji indukowanych stanów w niesłychanie wysokiej rozdzielczości czasowej”, zauważa.
Bardziej wydajne urządzenia elektroniczne
A co to wszystko ma wspólnego z telewizorami?
„Uzyskane informacje na temat elektronicznego sprzężenia pomiędzy cząsteczkami półprzewodników toruje drogę do tworzenia nowych wydajnych materiałów do budowy diod LED stosowanych w wielu urządzeniach, z których korzystamy na co dzień”, wyjaśnia Auras. „W przypadku telewizora oznacza to tworzenie jasnego piksela w kolorze głębokiego błękitu, który może działać przy niskim napięciu i mniejszej ilości energii”.
Auras dodaje też, że prace realizowane w ramach projektu mogą zaowocować opracowaniem wydajniejszych paneli słonecznych. „Integrując struktury półprzewodników EXMOLS, panele słoneczne mogą być w stanie przekształcać światło słoneczne w spektrum lepiej przystosowane do ogniw słonecznych”, stwierdza badacz.
Czy to poprzez umożliwienie produkcji bardziej efektywnych energetycznie smartfonów, czy też poprzez wspieranie popularyzacji odnawialnej energii słonecznej, badania prowadzone w ramach projektu EXMOLS przybliżają nas do zrównoważonej przyszłości będącej celem Europejskiego Zielonego Ładu.
„Inspirowanie się takimi naturalnymi procesami jak fotosynteza pozwala nam, jako społeczeństwu, zwiększyć swoją efektywność energetyczną”, podsumowuje Auras. „A zwiększając efektywność i wydajność, możemy lepiej chronić przyrodę, którą się inspirujemy – to właśnie jest zrównoważony rozwój”.