"Yapay fotosentez" sistemi 2.0 sürümüne girer ve hemen köşede karbondioksiti bir hazineye dönüştürür
İnsanlar gelecekte "yıldızlararası göç" gerçekleştirirse, o zaman şüphesiz ilk hedef Mars olacaktır. Silikon Vadisi "Demir Adam" Elon Musk her zaman "Mars'ı kolonileştirme" hedefine sahipti ve Mars'ta kendi kendine yeten bir şehir inşa etmeyi planlıyor.
Bununla birlikte, SpaceX'in roket taşıma kapasitesi sürekli gelişiyor olsa bile, oksijen ve yakıttan gıda ve ilaçlara kadar insan yaşamı için gerekli tüm malzemeleri taşımak için roketlere güvenmek gerçekçi değil. Ancak, Berkeley'deki California Üniversitesi'nden Profesör Yang Peidong'un "Marslı Göçmenlik Projesi" nin bir an önce gerçekleştirilmesine yardımcı olabilecek daha uzun vadeli ve basit bir planı var.
Son on yılda, Yang Peidong'un laboratuarındaki araştırmacılar, mikroorganizmaları biyolojik olmayan malzemelerle birleştiren bir "dolaşım sistemi" üzerinde çalışıyorlar. Sistem, güneş enerjisini absorbe ederek karbondioksit ve suyu organik moleküllerin temel bileşenlerine dönüştürebilir - buna "yapay fotosentez" de denir. 2015 yılında, Yang Peidong'un laboratuvarı ilk nesil "yapay fotosentez" sistemini başarıyla geliştirdi ve kısa süre önce daha mükemmel bir "2.0 sürümü" piyasaya sürdüler.
Yang Peidong'un girişine göre, sistemdeki silikon nanoteller temelde antenlerdir - güneş panelleri gibi güneş fotonlarını yakalarlar. Bu silikon nanoteller daha sonra elektron üretir ve bunları bağlı mikroorganizmalara sağlar. Son olarak, mikroorganizmalar karbondioksiti emer, kimyasal bir reaksiyon gerçekleştirir ve asetat üretir.
Araştırmayla ilgili bir makale 31 Mart'ta Joule dergisinde yayınlandı. Yang Peidongun "Yapay Fotosentez Sistemi Sürüm 2.0" yeni bir dönüşüm verimliliği rekoru kırdı: bir haftada emilen güneş enerjisinin% 3,6'sına kadar Dönüşüm verimliliği, güneş enerjisinden kimyasal enerjiye dönüşümü tamamlar ve son olarak asetat formunda depolar. Ayrıca oksijen üretilebilir.
DeepTech, araştırmanın arkasındaki hikaye ve gelecek planları hakkında daha fazla bilgi edinmek için Profesör Yang Peidong ile özel olarak röportaj yaptı.
Şekil | "Yapay Fotosentez Sistemi Versiyon 2.0": Havadaki karbondioksiti yakalayıp pratik organik maddeye dönüştüren bir cihaz; solda, karbondioksitin asetik aside dönüştürüldüğü bir mikrop ve nanotel sistemiyle donatılmış bir alan var. Sağdaki tuz, oksijenin üretildiği boşluktur (Kaynak: Yang Peidong / UC Berkeley)
Doğa gibi "dinamik dolaşım sistemi"
Yang Peidong, "Mars atmosferinin% 96'sı karbondioksittir." Dedi ve "ve sistemimiz, güneş enerjisini emmek ve kimyasal reaksiyonlar için nanoteller üzerindeki mikroplara iletmek için silikon yarı iletken nanoteller kullanıyor."
Uzay görevleri için, insanların yükün ağırlığını göz önünde bulundurması gerekir ve biyolojik sistemlerin avantajı, "kendilerini kopyalayabilmeleridir". Bu şekilde insanlar daha fazla şey fırlatmak için roketlere güvenmek zorunda kalmazlar, dolayısıyla bu aynı zamanda "biyolojik / biyolojik olmayan kombine sistemin" çekici avantajıdır. Yıldızlararası göçü düşünmeden bile, dünyadaki karbondioksit emisyonlarının neden olduğu enerji kıtlığı ve küresel ısınma sorunlarının çözümüne de yardımcı olabilir.
"Güneş ışığına ek olarak, yapay fotosentez sistemimiz yalnızca başka bir madde-suya ihtiyaç duyar." Yang Peidong, "Ve Mars'taki kutup buzulları nispeten zengin ve gezegenin yeraltının çoğu muhtemelen çok fazla donacak. Su. Benzer şekilde, dünyamızın% 70'inden fazlası deniz suyu ile kaplıdır.
Laboratuvarı tarafından tasarlanan "yapay fotosentez" sistemi, silikon yarı iletken nanotelleri, karbondioksiti belirli çok karbonlu ürünlere dönüştürmek için kendi enzimlerini kullanabilen mikroorganizmalarla birleştirerek güneş enerjisinden kimyasal enerjiye dönüşüm sürecini gerçekleştiriyor. Sistem 2015 yılında ilk ortaya çıktığında büyük ilgi gördü. Ancak o zaman, dönüşüm verimliliği nispeten düşüktü, sadece% 0,4.
Yang Peidong, "İlk nesil, tasarımımızın konsepte uygun olduğunu kanıtladı." Dedi. Daha sonra son beş yılda, bugün% 3,6'ya çıkıncaya kadar optimize etmeye devam ettiler ve bu, karbondioksiti şekere ve diğer maddelere dönüştüren doğadaki "şampiyon" şeker kamışının dönüşüm verimliliğine yakındır,% 4 ~% 5. "Bunun üzerine çok düşündük ve muhtemelen üç veya dört lisansüstü öğrenci dalgası yaşadık."
DeepTech, mikroorganizmaların hayatta kalma süresi sorunları olduğu için Yang Peidong'a sistemin kararlılığı ve sürdürülebilirliği hakkında sorular sordu ve şu açıklamayı yaptı: Mikroorganizmaların kendilerini çoğaltma yetenekleri çok güçlü ve sıktır. Dönüşüm için bir katalizör olarak, bir süre alır. Bir parti daha sonra ölecek, ancak daha sonra ikinci parti üretilecek. Kendi kendini yenileme sürecine sahip olacak, bu nedenle sistemin dayanıklılığı ile ilgili herhangi bir sorun yok. "
Ek olarak, şunları da söyledi: Laboratuvarın yaptığı şey, onu çeşitli geliştirme ve testler için "statik" bir sistem (Kesikli Reaktör) olarak kabul etmektir, ancak aslında, son uygulama şekli doğa gibi olacaktır. Diğer bitkiler gibi, tekrar tekrar bir "dinamik döngü" (Akış Reaktörü) oluşturur.
Şekil | Mikrop-nanotel kombinasyon sisteminin taranan elektron mikroskobu görüntüsü: Optimal pH ortamında, mikroplar nanotelleri sıkıca sarar; bu yakın paketleme, güneş enerjisini daha etkili bir şekilde karbon bağlarına dönüştürür (kaynak: Yang Peidong)
"Yapay fotosentez" sisteminin 2.0 versiyonu olan Yang Peidong'un laboratuvarı esas olarak mikroplar ve nanotel elektrotları arasındaki arayüzü araştırdı ve optimize etti.
Araştırmacılar başlangıçta verimliliği artırmak için nanotelleri daha fazla mikroorganizma ile doldurmaya çalıştılar.Elektronlar, kimyasal reaksiyonlar için nanoteller aracılığıyla mikroorganizmalara doğrudan aktarıldığında, mikroorganizmalar nanotellerden düşecek ve böylece devreyi yok edecek. Tekrarlanan deneylerden sonra, bu mikroorganizmaların asetik asit üretme işlemi sırasında çevreleyen suyun asitliğini azalttığını ve böylece nanotellerden ayrılmalarına neden olduğunu buldular.
Yang Peidong ve öğrencileri nihayet çevredeki suyun asitliğini kontrol etmenin bir yolunu buldular, böylece sürekli asetik asit üretiminin neden olduğu yükselen pH'ın etkisini telafi ettiler. Bu, nanotellere daha fazla mikrop koymalarına izin vererek dönüşüm verimliliğini yaklaşık 10 kat artırdı. Mikroorganizmaların müteakip takviyesi olmaksızın, sistem, kararlı ve verimli bir şekilde bir haftalık karbondioksit indirgeme reaksiyonu gerçekleştirebilir.
Sürekli güneş ışığı altında, "yapay fotosentez sistemi versiyon 2.0" da "güneş enerjisinin asetik aside" ortalama enerji dönüşüm verimliliği bir hafta içinde% 3.6'ya ulaştı; bu arada, bu hafta boyunca günlük asetik asit çıkışı da 44.3 g / m2'ye ulaşabilir. (Veya 0,3 g / L). Ek olarak, karbonun reaksiyon yörüngesini doğrulamak için izotop etiketleme kullandılar ve ışık enerjisinin karbondioksit dönüşümü için tek enerji kaynağı olduğunu kanıtlamak için karanlık kontrol deneyleri kullandılar.
Elde edilen asetat molekülleri, yakıtlar, plastikler ve ilaçlar dahil olmak üzere bir dizi organik molekülün parçası olarak kullanılabilir. Aynı zamanda, bakteri veya maya gibi genetiği değiştirilmiş organizmalarda asetattan birçok başka organik ürün de yapılabilir. Ek olarak, Yang Peidong'un laboratuvarı, yıldızlararası göçmenlerin gıda problemini daha da çözebilecek şeker ve karbonhidrat sistemleri üretmek için güneş enerjisi ve karbondioksit kullanımını da araştırıyor.
Oksijen, insanların Mars'taki Dünya'yı taklit eden% 21'lik bir oksijen ortamı oluşturmasına yardımcı olabilecek bir yan faydadır.
"Sonuç olarak, bu sistemdeki silikon nanoteller temelde antenler gibidir - güneş panelleri gibi güneş fotonlarını yakalarlar. Bu silikon nanoteller daha sonra elektron üretir ve onları bağlı mikroorganizmalara sağlar. Son olarak, mikroorganizmalar karbondioksiti emer, Kimyasal bir reaksiyon gerçekleştirin ve asetat üretin. "Yang Peidong dedi.
Bilimsel araştırma "orijinal" e odaklanır ve sonuçlar birikimden gelir
"Yapay fotosentetik sistem" bu güne kadar geliştirildi ve Yang Peidong'un yıllar boyunca birçok alanda birikimi ve "özgün" tasarım düşüncesi sayesinde olağanüstü sonuçlar elde etti.
Nanoteller alanında bir öncü olarak, Yang Peidong 25 yıl önce Harvard Üniversitesi'nde doktora derecesi için çalışırken, Amerikan Bilimler Akademisi'nden bir akademisyen ve Harvard Üniversitesi'nde bir nanobilimci olan akıl hocası Charles Lieber ile benzersiz bir mülk geliştirmek için çalıştı. Yarı iletken nanoteller.
İnsan saçının yalnızca yüzde biri çapında çok ince bir silikon teldir.Isı ve ışık enerjisini elektrik enerjisine dönüştürmek için veya sensörler ve güneş pilleri için elektronik bir bileşen olarak kullanılabilir. Yaygın olarak kullanılmaktadır ve büyük potansiyele sahiptir.
2001 yılında, yarı iletken nanotel elektronik cihazlar, "Science" dergisi tarafından çığır açan ilk on gelişmeden biri olarak seçildi. Buna ek olarak, bu teknoloji, 2004 yılında Massachusetts Institute of Technology Review tarafından "Geleceği Etkileyen En İyi On Çığır Açan Teknolojiden" biri olarak derecelendirilmiştir. 2006 yılında, "Nature" dergisi, yarı iletken nanotel araştırmalarını fizikteki on araştırma noktasından biri olarak listeledi.
Araştırma sonuçları, Yang Peidong'u tek seferde dünyanın en iyi malzeme bilimcisi haline getirdi. 2011 yılında Thomson Reuters, 21. yüzyılın ilk on yılında küresel malzeme bilimcileri ve kimyagerlerinin "En İyi 100" verilerini açıkladı ve bunları, yayınlanmış çeşitli araştırma sonuçlarının etkisine göre sıraladı. Yang Peidong, malzeme bilimcileri listesinde birinci sırada ve kimyagerler listesinde ilk 10'da yer alıyor (en etkili kimyager, akıl hocası Charles Lieber'dır).
Şekil | Thomson Reuters'ın "Küresel İlk 100 Malzeme Bilimcisi" listesinin ekran görüntüsü (Kaynak: ScienceWatch)
Nanotelleri geliştirdikten sonra Yang Peidong, Berkeley'deki California Üniversitesi'ne geldi ve nanotellerin fotoniğini ve nanotellerle güneş pilleri üzerindeki ilgili araştırmaları incelemeye başladı. Genetik mühendisliği, biyosensörler ve biyoyakıt hücreleri gibi alanların gelişmesiyle birlikte, biyolojik ve biyolojik olmayan materyalleri birleştiren hibrit fonksiyonel malzemeler büyük ilgi gördü. Daha sonra, bilimsel araştırma topluluğu, etkin su fazında karbondioksit azaltımı sağlamak için dikkatini mikroorganizmaların kullanımına çevirdi.
2010 yılı civarında Yang Peidong, mikroorganizmalar ve biyolojik olmayan malzemeler arasındaki arayüze dayalı "yapay fotosentez" üzerine araştırmalara başladı. Yarı iletken nanoteller üzerindeki öncü avantajları nedeniyle, kimya, mikrobiyoloji ve diğer alanlardaki sürekli öğrenimi ve derin yatırımıyla birleştiğinde, Yang Peidong'un laboratuvarı yapay fotosentez alanında her zaman bir dünya lideri olmuştur.
Yang Peidong, "Bu nispeten 'niş' bir alan. 'Dedi, çünkü nispeten geniş bir disiplin yelpazesi gerektiriyor ve bilimsel araştırma koşulları ve teknoloji birikimi için nispeten yüksek gereksinimler gerektiriyor. Pek çok laboratuvar bunu yapamaz."
Ancak "niş", bu alandaki araştırmanın öneminin yeterli olmadığı anlamına gelmez. Eylül 2018'de NASA, uzay için bir "Karbon Dioksit Dönüştürme Mücadelesi" yayınladı: 1 milyon ABD doları ödül sağladı ve katılımcıların karbondioksiti glikoz gibi yararlı bileşiklere dönüştürmek için yeni yollar bulabileceğini umdu. NASA, her biri 50.000 $ alacak olan 5 ekibi ödüllendirecek ve sonuçlar Nisan 2019'da açıklanacak. Bundan sonra, seçilen ekip ikinci aşamaya girecek - bir dönüşüm sistemi kuracak ve onu gösterecektir. İkinci aşama için bonus 750.000 $ 'a kadar çıkıyor.
Beklendiği gibi, Yang Peidong'un laboratuvarının araştırma ekibi "Final Top 5" in ilk aşamasına başarıyla girdi. "Şu anda bu mücadelenin ikinci aşamasındayız." Ancak, NASA'nın zorluğu burada bahsettiğimiz yapay fotosentez sistemiyle aynı değil. Yön inorganik katalizörler ve burada yapay fotosentezden bahsediyoruz. Sistem biyolojik katalizörler kullanıyor. Laboratuvarımdaki diğer birkaç öğrenci inorganik kataliz üzerinde çalışıyor. "
Yang Peidong'un laboratuvarı çok büyük ve şu anda yaklaşık 150 doktora öğrencisi ve mezun olmuş ve okuyan doktora sonrası araştırmacı var. "Neredeyse yarısı Çinli öğrenciler ve geri kalanı çoğunlukla Amerikalı ve Koreli öğrenciler." Dedi.
Resim | Yang Peidong ve öğrencileri (Kaynak: Yang Peidong)
Araştırma tutumu ile ilgili olarak, Yang Peidong, bunun "orijinal" olması gerektiğini ve eğilimi takip etmemesi gerektiğini, "bilimsel araştırma eğilimini" körü körüne takip etmenin tavsiye edilmediğini söyledi.
Çin Eğitim Bakanlığı, 2020 yılında yerel üniversitelerde "yalnızca SCI" sistemini kıran bir belge yayınladığından, DeepTech ayrıca "en etkili gazete" olan Yang Peidong'a da görüşlerini sordu. "Makaleleri yayınlamak sadece indeks peşinde koşmakla kalmamalı. Bu normal bir tutum. Araştırmacıların sakinleşmesine ve araştırma yapmasına izin verilmeli, bu yüzden bu karar doğru." Malzeme alanını örnek aldığımızda bilimsel araştırmanın da bir "trend trendi" olduğunu söyledi.
Örneğin, yarı iletken nanotel malzemeleriyle başladım, ardından grafen ve diğer iki boyutlu malzemelerle başladım. "Araştırma yönü çok popüler, ancak araştırmacılar körü körüne uymamalı. Bu alandaki özgünlüğünü anlamalılar. Katkı nedir. Örneğin, bir bilimsel araştırma görevlisi görürseniz, 30 saniye içinde onun temsili çalışmasını yansıtamazsınız, o zaman bir sorun vardır. "
Bu nedenle, "önce SCI'yi kırmak" doğrudur. Ancak aynı zamanda, "herkesin özgün ve temsili bir çalışması olması gerektiğini" vurgulamalıyız. Ayrıca, genç araştırmacılar için herkesin doğru yönü bulma ve ona bağlı kalma şansı vardır. Yang Peidong, "Korkarım birçok genç bu eğilimi takip edecek ve yalnızca popüler şeylerle meşgul olacak. O zaman doğal olarak bir gün olmayacak." Dedi.
Bir sonraki adım için Yang Peidong, laboratuvarının dönüşüm verimliliğini artırmanın yollarını aramaya devam edeceğini söyledi. Aynı zamanda, mikroorganizmaları daha "çok yönlü" hale getirmek ve çeşitli organik bileşikler üretebilmek için genetik mühendisliği teknolojisini de keşfedecek.
Pratik uygulamalarla ilgili olarak, "Bu araştırma yönü sonsuzdur. Elbette, insanlar her zaman bazı pratik uygulamaları ne zaman göreceklerini bilmek isterler. Büyük vizyon önümüzdeki on ila yirmi yıl içinde gerçekleştirilebilir."
