Droga do nowych materiałów fotonicznych zaczyna się pod wodą
Gdy świat próbuje zerwać z uzależnieniem od paliw kopalnych, zmaga się też z kluczowym pytaniem: w jaki sposób możemy skutecznie przekształcać zasoby odnawialne w energię odnawialną? W poszukiwaniu odpowiedzi na to pytanie naukowcy z finansowanego ze środków UE projektu BEEP zwrócili się do świata przyrody. „Naszym celem było zrozumienie, w jaki sposób organizmy wykorzystujące światło jako źródło energii maksymalizują ilość absorbowanej energii słonecznej, jej przechowywanie i przekształcanie” — mówi Silvia Vignolini, profesora i fizyczka z University of Cambridge. Z tymi informacjami pod ręką projekt, który otrzymał wsparcie z programu działania „Maria Skłodowska-Curie”, miał nadzieję otworzyć drzwi do opracowania innowacyjnych nowych materiałów fotonicznych i technologii zdolnych do optymalizacji pozyskiwania i magazynowania energii słonecznej.
Oszałamiające strategie zbierania światła
Zespół projektowy, w skład którego wchodziło dziewięcioro naukowców na początku kariery, zgłębiając ten temat, zaczął od przyjrzenia się przykładom ze świata morskiego. Przyglądano się zwłaszcza różnym koralowcom, mikroalgom, wodorostom i ślimakom morskim, które ewoluowały, aby zmaksymalizować fotosyntezę na ograniczonej przestrzeni przy jednoczesnym unikaniu nadmiernej ekspozycji na światło słoneczne. „Organizmy te opracowały oszałamiające strategie skutecznego zbierania światła i ochrony dzięki kompaktowym strukturom przestrzennym o wysokiej zawartości pigmentów” — wyjaśnia Vignolini. „Przystosowały się również do funkcjonowania w różnych siedliskach i różnych reżimach świetlnych”.
Kolorowa przewaga
Jedną z wykorzystywanych strategii jest kolor strukturalny. „Stworzenia morskie to w dużej mierze niezwykle różnorodne organizmy o niesamowitej gamie kolorów, przy czym najjaśniejsze kolory często uzyskuje się dzięki interakcji światła z uporządkowanymi materiałami nanostrukturalnymi” — dodaje Vignolini. Badacze projektu BEEP wykazali, że ich kolor jest nie tylko ładny, ale odgrywa ważną rolę biologiczną. Na przykład u chrząstnicy kędzierzawej kolor strukturalny organizmu służy jako mechanizm fotoochronny. „Wykazaliśmy, że niebieski opalizujący kolor na końcach liści tłumi światło o wyższej energii” — zauważa Vignolini. „Jednocześnie organizm preferuje zbieranie zielonego i czerwonego światła poprzez swoje zewnętrzne anteny, które posiadają mechanizm fotoprotekcji zależny od intensywności”. W ramach projektu zbadano również właściwości fotoniczne i strukturalne innych gatunków alg. Praca ta doprowadziła do scharakteryzowania oszałamiających struktur komórkowych, które nigdy wcześniej nie zostały opisane.
Od badań do lepiej działających biomimetycznych materiałów i systemów
Część badań prowadzonych w ramach projektu przełożono już na praktyczne rozwiązania. Na przykład naukowcy opracowali opalizujące biofilmy bakteryjne i przekształcili je w pigmenty fotoniczne do zastosowań materiałowych — obiecujący wynik, który może prowadzić do opracowania zrównoważonych alternatyw dla konwencjonalnych farb i toksycznych barwników stosowanych obecnie. A to dopiero początek. „Jestem przekonany, że nasze badania utorują drogę w kierunku lepiej działających biomimetycznych materiałów i systemów, w tym biofotoreaktorów do zrównoważonej produkcji biomasy i energii” — podsumowuje Vignolini.
Słowa kluczowe
BEEP, materiały fotoniczne, energia słoneczna, organizmy morskie, zasoby odnawialne, energia odnawialna, koralowce, mikroalgi, wodorosty, fotosynteza, materiały biomimetyczne