تتفوق النباتات في مهمة ظل العلماء والمهندسون يحاولون إنجازها لعقود من الزمن: تحويل ضوء الشمس إلى طاقة رخيصة، بشكل موثوق يومًا بعد يوم، وعامًا بعد عام. والآن، نجح العديد من العلماء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في محاكاة جانب رئيسي من هذه العملية.
إحدى مشاكل استخدام ضوء الشمس هي أن أشعة الشمس يمكن أن تكون مدمرة للعديد من المواد وتتسبب في التفريغ التدريجي للأنظمة المصممة لهذا الغرض بالذات. ومع ذلك، فقد طورت النباتات استراتيجية مثيرة للاهتمام للتعامل مع هذه المشكلة: فهي تقوم في كثير من الأحيان بتفكيك خلاياها المستقبلة للضوء وإعادة تجميعها مرارًا وتكرارًا، بحيث تكون الهياكل الأساسية المسؤولة عن التقاط الطاقة الضوئية، في الواقع، جديدة تمامًا.
وقد نجح الآن مايكل سترانو، أستاذ الهندسة الكيميائية، في محاكاة هذه العملية. قام فريقه البحثي بصنع سلسلة جديدة من الكبسولات ذاتية التنظيم القادرة على تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء. يمكن تفكيك الأجزاء المنفصلة وإعادة تجميعها مرارًا وتكرارًا، وذلك ببساطة عن طريق إضافة أو إزالة محلول إضافي. ونشرت نتائج البحث في المجلة العلمية Nature Chemistry.
يقول الباحث الرئيسي أن الفكرة خطرت له لأول مرة عندما كان يقرأ مادة عن بيولوجيا النبات. يقول: "لقد شعرت برهبة شديدة من الطريقة التي طورت بها الخلايا النباتية آلية الإصلاح الفعالة للغاية". وفي أحد أيام الصيف، "تستطيع ورقة الشجرة إعادة تدوير بروتيناتها كل خمسة وأربعين دقيقة، على الرغم من أنه يمكن اعتبارها خلية ضوئية ثابتة."
كان أحد الأهداف البحثية طويلة المدى للعالم هو إيجاد طرق لتقليد المبادئ الموجودة في الطبيعة باستخدام المكونات النانوية. في حالة الجزيئات المستخدمة في عملية التمثيل الضوئي في النباتات، فإن التكوين النشط للأكسجين الناتج عن ضوء الشمس يؤدي إلى تحلل البروتينات بدقة شديدة. وكما وصف الباحث الرئيسي: "يكسر الأكسجين الروابط التي تحافظ على البروتينات معًا،" لكن هذه البروتينات تعيد تنظيم نفسها بسرعة لبدء العملية. يحدث هذا الإجراء داخل أجسام صغيرة تسمى البلاستيدات الخضراء الموجودة في كل خلية نباتية - حيث تتم عملية التمثيل الضوئي. البلاستيدات الخضراء (دخول ويكيبيديا) هي "آلة مذهلة"، كما يقول الباحث. "إنها محركات ممتازة تستهلك ثاني أكسيد الكربون وتستخدم الضوء لإنتاج الجلوكوز (سكر كثيف الطاقة)،" وهي مادة توفر الطاقة لعملية التمثيل الغذائي.
ولتقليد هذه العملية، قام فريق الباحثين بإعداد الدهون الفوسفاتية الاصطناعية على شكل أقراص؛ توفر هذه الأقراص الدعم الهيكلي للخلايا الأخرى التي تستجيب لإشعاع الضوء، وتوجد في مصفوفات تسمى مراكز التفاعل، والتي تطلق الإلكترونات استجابة لجزيئات الضوء التي تضربها. الأقراص، التي تحتوي على مراكز التفاعل، موجودة في محلول حيث تنظم نفسها في أنابيب كربون نانوية - أنابيب كربون مجوفة ذات سماكة صغيرة أقوى من الفولاذ وتوصل الكهرباء بشكل أفضل من النحاس. تحمل الأنابيب النانوية أقراص الفسفوليبيد في ترتيب منظم بحيث تتعرض جميع مراكز التفاعل لأشعة الشمس في نفس الوقت، كما أنها تعمل أيضًا كجدران تجمع وتوجه تيار الإلكترونات المنطلقة من الخلايا النشطة.
يتكون النظام المحضر من سبعة أنواع مختلفة من الجسيمات، بما في ذلك الأنابيب النانوية، والدهون الفوسفاتية، والبروتينات التي تشكل مراكز التفاعل، والتي في ظل ظروف مناسبة تنتظم بشكل مستقل في بنية محاصرة للضوء تنتج تيارًا كهربائيًا. ويعتقد الباحث الرئيسي أن هذا النظام يحمل الرقم القياسي لتعقيد نظام التنظيم الذاتي. عندما تتم إضافة مادة خافضة للتوتر السطحي إلى الخليط، وهي مادة مشابهة للمواد الكيميائية التي تستخدمها شركة بريتيش بتروليوم لتفتيت النفط المتسرب إلى خليج المكسيك، تنفصل المكونات السبعة وينتج محلول صابوني. في الخطوة التالية، عندما يقوم الباحثون بإزالة المادة النشطة سطحيًا عن طريق دفع المحلول عبر غشاء مرشح، تنتظم المركبات معًا مرة أخرى بشكل مستقل ومثالي في خلية ضوئية متجددة.
يوضح الباحث الرئيسي: "نحن في الواقع نحاكي الحيل التي اكتشفتها الطبيعة منذ ملايين السنين، وخاصة فكرة القابلية العكسية - القدرة على التفكيك وإعادة التجميع". كان النظام في الأصل فكرة نظرية بحتة، ولكن بعد ذلك قرر الباحثون بناء غرفة نموذجية لاختباره. وقاموا بتنشيط الخلية في دورات متكررة من التفكيك والتجميع لمدة أربع عشرة ساعة - دون فقدان كفاءة الخلية.
ويوضح الباحث الرئيسي أنه عند تصميم أنظمة مبتكرة لتوليد الكهرباء من ضوء الشمس، لا يقوم الباحثون في كثير من الأحيان بفحص كيفية تغير النظام بمرور الوقت. بالنسبة للخلايا الكهروضوئية التقليدية المعتمدة على Zorn، يوجد بالفعل معدل تدهور منخفض بمرور الوقت، ولكن بالنسبة للعديد من الأنظمة المبتكرة التي يتم تطويرها اليوم - سواء كان ذلك بسبب انخفاض التكاليف أو زيادة الكفاءة/المرونة أو غيرها من الخصائص المحسنة - يمكن أن يكون التدهور عاملاً مهمًا للغاية . ويقول الباحث: "من الممكن عادة أن نلاحظ بعد حوالي ستين ساعة أن الكفاءة تنخفض إلى عشرة بالمائة فقط من القيمة الأصلية".
وتصل كفاءة التفاعلات المنفصلة لهذه الهياكل الجزيئية المبتكرة في تحويل ضوء الشمس إلى أربعين بالمائة - وهي ضعف نسب الكفاءة الموجودة اليوم في أفضل الخلايا الشمسية التجارية. ومن الناحية النظرية، فإن كفاءة المباني الجديدة قد تقترب من مائة بالمائة، كما يقول الباحث. ومع ذلك، في الدراسة الأولية كان تركيز الهياكل في المحلول منخفضًا، وبالتالي كان الاستخدام العام للجهاز - كمية الكهرباء المنتجة من سطح معين - منخفضًا جدًا. ويعمل الباحثون الآن على إيجاد طرق لزيادة التركيز بشكل ملحوظ.
