Исследователи из Кембриджского университета использовали 3D-печать для создания сеток высотных "наножильев", где могут быстро расти любящие солнце бактерии. Затем исследователи смогли извлечь отработанные электроны бактерий, оставшиеся от фотосинтеза, которые можно было бы использовать для питания небольшой электроники.

Другие исследовательские группы извлекали энергию из фотосинтезирующих бактерий, но исследователи из Кембриджа обнаружили, что предоставление им правильного вида жилья увеличивает количество энергии, которую они могут извлекать, более чем на порядок. Этот подход конкурентоспособен по сравнению с традиционными методами производства возобновляемой биоэнергии и уже достиг эффективности преобразования солнечной энергии, которая может превзойти многие современные методы производства биотоплива.

Их результаты, опубликованные в журнале Природные материалы, открывают новые возможности в производстве биоэнергии и предполагают, что "биогибридные" источники солнечной энергии могут стать важным компонентом в энергетическом балансе с нулевым выбросом углерода.

Современные возобновляемые технологии, такие как солнечные элементы на основе кремния и биотопливо, намного превосходят ископаемое топливо с точки зрения выбросов углерода, но у них также есть ограничения, такие как зависимость от добычи полезных ископаемых, проблемы с переработкой отходов и зависимость от сельского хозяйства и землепользования, что приводит к потере биоразнообразия.

"Наш подход - это шаг к созданию еще более устойчивых устройств на основе возобновляемых источников энергии для будущего", - сказала доктор Дженни Чжан из химического факультета Юсуфа Хамида, которая руководила исследованием.

Чжан и ее коллеги из департамента биохимии и департамента материаловедения и металлургии работают над переосмыслением биоэнергетики в нечто устойчивое и масштабируемое.

Фотосинтезирующие бактерии, или цианобактерии, являются наиболее распространенной формой жизни на Земле. В течение нескольких лет исследователи пытались "перенастроить" механизмы фотосинтеза цианобактерий, чтобы извлекать из них энергию.

"Было узкое место с точки зрения того, сколько энергии вы действительно можете извлечь из фотосинтетических систем, но никто не понимал, где находится узкое место", - сказал Чжан. "Большинство ученых предполагали, что узкое место находится на биологической стороне, в бактериях, но мы обнаружили, что существенное узкое место на самом деле находится на материальной стороне".

Чтобы расти, цианобактериям нужно много солнечного света - как поверхности озера летом. А для того, чтобы извлекать энергию, которую они производят посредством фотосинтеза, бактерии необходимо прикрепить к электродам.

Команда из Кембриджа напечатала на 3D-принтере специальные электроды из наночастиц оксида металла, которые адаптированы для работы с цианобактериями во время их фотосинтеза. Электроды были напечатаны в виде сильно разветвленных, плотно упакованных столбчатых структур, похожих на крошечный город.

Команда Чжана разработала технологию печати, которая позволяет управлять несколькими масштабами длины, что делает структуры легко настраиваемыми, что может принести пользу широкому спектру областей.

"Электроды обладают отличными светопроницаемыми свойствами, как в многоэтажной квартире с большим количеством окон", - сказал Чжан. "Цианобактериям нужно что-то, к чему они могли бы прикрепиться и сформировать сообщество со своими соседями. Наши электроды обеспечивают баланс между большой площадью поверхности и большим количеством света - как в стеклянном небоскребе".

Как только самосборяющиеся цианобактерии оказались в своем новом "проводном" доме, исследователи обнаружили, что они более эффективны, чем другие современные биоэнергетические технологии, такие как биотопливо. Этот метод увеличил количество извлекаемой энергии более чем на порядок по сравнению с другими методами получения биоэнергии за счет фотосинтеза.

"Я был удивлен, что мы смогли достичь тех цифр, которые у нас были - подобные цифры предсказывались в течение многих лет, но это первый раз, когда эти цифры были показаны экспериментально", - сказал Чжан. "Цианобактерии - это универсальные химические фабрики. Наш подход позволяет нам использовать их пути преобразования энергии на ранней стадии, что помогает нам понять, как они осуществляют преобразование энергии, чтобы мы могли использовать их естественные пути для производства возобновляемого топлива или химических веществ ".

Исследование было частично поддержано Исследовательским советом по биотехнологии и биологическим наукам, Кембриджским фондом, Фондом Исаака Ньютона и Европейским исследовательским советом. Дженни Чжан - научный сотрудник BBSRC Дэвида Филлипса на химическом факультете и стипендиат колледжа Корпус-Кристи в Кембридже.