نجح الباحثون في تطوير نوع جديد من الخلايا الشمسية قادرة على إصلاح نفسها، على غرار أنظمة التمثيل الضوئي الطبيعية الموجودة في النباتات، وذلك من خلال استخدام أنابيب الكربون النانوية والحمض النووي.
نجح الباحثون في تطوير نوع جديد من الخلايا الشمسية قادرة على إصلاح نفسها، على غرار أنظمة التمثيل الضوئي الطبيعية الموجودة في النباتات، من خلال استخدام أنابيب الكربون النانوية والحمض النووي - وهو النهج الذي يهدف إلى إطالة العمر الافتراضي للمنتج وتقليل إنتاجه. التكاليف.
وقال جونغ هيون تشوي، أستاذ الهندسة الميكانيكية في جامعة بوردو (جامعة عامة كبيرة في ولاية إنديانا): "لقد تمكنا من إنتاج أنظمة ضوئية صناعية باستخدام مواد بصرية نانوية لتسخير الطاقة الشمسية وتحويلها إلى طاقة كهربائية".
وأوضح الباحث الرئيسي أن تصميم الخلية الجديدة يستفيد من الخصائص الكهربائية الفريدة للهياكل التي تسمى "أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار" واستخدامها كـ "أسلاك جزيئية للخلايا التي تمتص الضوء". وأضاف أنه على الرغم من أن البحث في مرحلته الأساسية فقط، إلا أن النهج الجديد يوفر العديد من الإمكانيات لهذه الصناعة.
تقوم الخلايا الكهروكيميائية الضوئية بتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء وتستخدم المنحل بالكهرباء - وهو سائل يوصل الكهرباء - من أجل نقل الإلكترونات من نقطة إلى أخرى وتوليد الكهرباء في هذه العملية. تحتوي الخلايا على مواد ملونة - جزيئات تشبه الكلوروفيل - قادرة على امتصاص ضوء الشمس (الكروموفورات) والتي تتحلل بمرور الوقت نتيجة تعرضها لأشعة الشمس. ويشير الباحث إلى أن "العيب الكبير للخلايا الكهروكيميائية الضوئية العادية يكمن في هذا الانهيار". تتغلب التكنولوجيا المبتكرة على هذه المشكلة بنفس الطريقة التي تغلبت بها الطبيعة تمامًا - من خلال استبدال الأصباغ التالفة بأخرى جديدة باستمرار. يوضح الباحث: "يحدث هذا النوع من التجديد الذاتي في النباتات كل ساعة".
يمكن للفكرة الأصلية أن تمكن من تطوير نوع مبتكر من الخلايا الكهروكيميائية الضوئية القادرة على مواصلة نشاطها باستغلال كامل إلى أجل غير مسمى، طالما تمت إضافة كروموفورات جديدة إلى الخلية.
وتم نشر نتائج البحث في عرض تقديمي خلال المؤتمر الدولي للهندسة الميكانيكية الذي عقد في كندا وتم الكشف عن الفكرة أيضًا في مقال منشور على الإنترنت على موقع الجمعية الدولية للبصريات والضوئيات)رابط لهذه المادة(.
تعمل الأنابيب النانوية الكربونية كركيزة ترتكز عليها حلزونات الحمض النووي. تم تصميم جزيء الحمض النووي بحيث يحتوي على تسلسل محدد من وحدات البناء تسمى النيوكليوتيدات، وهو تسلسل يسمح له بالتعرف على الكروموفورات المحددة والارتباط بها. يوضح الباحث: "يتعرف جزيء الحمض النووي على جزيئات اللون ثم ينظم النظام نفسه".
عندما يحين وقت استبدال الكروموفورات التالفة، يمكن القيام بذلك من خلال العمليات الكيميائية أو عن طريق إضافة ملفات DNA جديدة بتسلسل نيوكليوتيدات مختلف يمكن أن يدفع جزيئات اللون التالفة إلى الخارج. في الخطوة التالية، سيكون من الممكن إضافة كروموفورات جديدة.
هناك عاملان أساسيان حتى تتمكن التكنولوجيا الجديدة من تقليد آلية الإصلاح الذاتي في الطبيعة بنجاح: التعرف على الجزيئات وقابلية الاستقرار الديناميكي الحراري (التوازن الدقيق) - أي قدرة النظام على الذوبان وإعادة التنظيم باستمرار.
الدراسة الجديدة هي استمرار لدراسة سابقة أجراها الباحث تشوي بالتعاون مع جامعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة إلينوي. وفي الدراسة السابقة استخدم العلماء الكروموفورات البيولوجية المأخوذة من البكتيريا ونشرت نتائج البحث في المجلة العلمية Nature Chemistry (نتائج الدراسة السابقة). ومع ذلك، فإن استخدام الكروموفورات الطبيعية يمثل مشكلة، ومن الضروري استخراجها وعزلها عن البكتيريا - وهي عملية ستكون مكلفة للغاية بالنسبة للصناعة، كما يضيف الباحث الرئيسي. "وهكذا، بدلاً من استخدام الكروموفورات البيولوجية، لجأنا إلى استخدام الكروموفورات الاصطناعية التي تتكون من أصباغ تسمى البورفيرينات (الوصفة على ويكيبيديا)" يلاحظ الباحث.
