Der Weg zu neuen Photonikmaterialien beginnt unter Wasser
Während die Welt versucht, sich von den fossilen Brennstoffen zu lösen, bleibt eine wichtige Frage offen: Wie können wir erneuerbare Ressourcen auf effiziente Weise in erneuerbare Energie umwandeln? Zur Beantwortung dieser Frage wandten sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des EU-finanzierten Projekts BEEP an die Natur. „Unser Ziel war zu verstehen, wie jene Organismen, die Licht als Energiequelle nutzen, die Menge an von ihnen absorbierter, gespeicherter und umgewandelter Sonnenenergie maximieren“, sagt Silvia Vignolini, Professorin und Physikerin an der Universität Cambridge. Mithilfe dieser Informationen beabsichtigte das Team des im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen unterstützten Projekts, die Tür zur Entwicklung innovativer neuer Photonikmaterialien und -technologien zu öffnen, mit denen die Gewinnung und Speicherung von Sonnenenergie optimiert werden kann.
Verblüffende Strategien zur Lichtgewinnung
Das Projektteam, dem neun Nachwuchsforschende angehörten, begann mit der Untersuchung von Beispielen aus der Meereswelt, um in das Thema einzusteigen. Im Einzelnen wurden verschiedene Korallen, Mikroalgen, Meeresmakroalgen und Meeresschnecken betrachtet, die sich auf eine Weise entwickelt haben, dass sie die Photosynthese auf begrenztem Raum maximieren und gleichzeitig übermäßige Sonneneinstrahlung vermeiden können. „Diese Organismen haben mithilfe ihrer kompakten und stark pigmentierten räumlichen Strukturen verblüffende Strategien zur effizienten Lichtgewinnung und zum Schutz entwickelt“, erklärt Vignolini. „Außerdem haben sie sich an ein ganzes Spektrum von Lebensräumen und unterschiedlichen Lichtverhältnissen angepasst.“
Farbenfroher Vorteil
Eine dieser Strategien ist die Strukturfarbe. „Das Meer wird von einer riesigen Vielfalt von Organismen mit einer unglaublichen Farbpalette bevölkert, wobei die hellsten Farben oft durch die Art und Weise entstehen, wie Licht mit geordneten nanostrukturierten Materialien interagiert“, fügt Vignolini hinzu. Die Forschenden des Projekts BEEP haben nachgewiesen, dass diese Farben nicht nur schön sind, sondern auch eine wichtige biologische Rolle übernehmen. Bei der Rotalge Irisch Moos beispielsweise dient die Strukturfarbe des Organismus als Lichtschutzmechanismus. „Wir haben demonstriert, dass die blau schillernde Farbe an den Spitzen ihrer Verzweigungen energiereiches Licht abschwächt“, bemerkt Vignolini. „Gleichzeitig bevorzugt der Organismus, grünes und rotes Licht durch seine äußeren Antennen zu sammeln, die über einen intensitätsabhängigen Lichtschutzmechanismus verfügen.“ Im Rahmen des Projekts wurden überdies die photonischen und strukturellen Eigenschaften weiterer Algenarten untersucht. Diese Arbeit führte zur Charakterisierung verblüffender Zellsrukturen, die noch nie zuvor beschrieben worden waren.
Forschung in leistungsfähigere biomimetische Materialien und Systeme umsetzen
Das Projektteam hat bereits einige seiner Forschungsergebnisse in praktische Lösungen umgesetzt. So entwickelten die Forschenden beispielsweise irisierende Bakterienbiofilme und wandelten sie in photonische Pigmente für Materialanwendungen um. Dieses vielversprechende Ergebnis könnte die Entwicklung nachhaltiger Alternativen zu den heute verwendeten herkömmlichen Anstrichen und giftigen Farbstoffen anstoßen. Dabei handelt es sich jedoch nur um die Spitze des Eisbergs. „Ich bin zuversichtlich, dass unsere Forschung den Weg zu leistungsfähigeren biomimetischen Materialien und Systemen einschließlich Bio-Photoreaktoren zur nachhaltige Produktion von Biomasse und Energie bereiten wird“, schließt Vignolini.
Schlüsselbegriffe
BEEP, Photonikmaterialien, Sonnenenergie, Meeresorganismen, erneuerbare Ressourcen, erneuerbare Energie, Korallen, Mikroalgen, Meeresmakroalgen, Photosynthese, biomimetische Materialien
