Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts vừa chế tạo ra được tế bào quang điện tổng hợp đầu tiên có khả năng tự sửa chữa. Tế bào trên bắt chước hệ thống tự sửa chữa thường tìm thấy ở thực vật, chúng bắt lấy ánh sáng mặt trời và biến đổi nó thành năng lượng trong quá trình quang hợp. dụng cụ trên có hiệu suất biến đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện là 40% - một con số tốt hơn gấp đôi so với các tế bào quang điện trên thị trường hiện nay.
Tế bào kiểm nghiệm do đội nghiên cứu chế tạo để đo các tính chất của hệ quang hợp tự lắp ráp. (Ảnh: Patrick Gillooly, MIT)
Trong sự quang hợp, cây xanh khai thác bức xạ mặt trời và biến đổi nó thành năng lượng. Các nhà khoa học đã cố gắng bắt chước quá trình này ở các chất liệu tổng hợp, nhưng điều này tỏ ra khó thực hiện vì các tia sáng mặt trời gây phá hủy và theo năm tháng dần dần làm hỏng các bộ phận quang điện. Cây xanh trong tự nhiên đã phát triển một cơ chế tự sửa chữa có tính phức tạp cao để khắc phục vấn đề này bằng cách liên tục phá vỡ và lắp ráp lại các protein khai thác ánh sáng bị bức xạ mặt trời phá hỏng. Quá trình trên đảm bảo cho những phân tử này liên tục được làm mới, và vì thế luôn hoạt động giống như phân tử “mới”.
Michael Strano cùng các đồng nghiệp đã thành công trong việc bắt chước quá trình này lần đầu tiên bằng cách tạo ra các phức hợp tự lắp ráp biến đổi ánh sáng thành điện năng. Các phức hợp đó có thể bị phá vỡ liên tục và lắp ráp lại đơn giản bằng cách thêm một chất xúc tác bề mặt (một dung dịch chứa các phân tử xà phòng). Các nhà nghiên cứu nhận thấy chúng có thể tuần hoàn vô hạn giữa các trạng thái lắp ráp và tháo rời bằng cách thêm vào hoặc loại bỏ chất xúc tác bề mặt, nhưng các phức hợp trên chỉ có hoạt động quang ở trạng thái lắp ráp.
Trung tâm phản ứng ánh sáng
Các phức hợp trên gồm các protein khai thác ánh sáng, các ống nano đơn thành và các lipid hình đĩa. Các protein này (được tách ra từ vi khuẩn tía, Rhodobacter sphaeroides) chứa một trung tâm phản ứng ánh sáng (mang bởi các lipid) gồm các khuẩn diệp lục và các phân tử khác. Kho trung tâm này hứng trước bức xạ mặt trời, nó biến đổi ánh sáng mặt trời thành các cặp electron-lỗ trống (exciton).
Kho đó, các exciton đưa thoi qua lại trung tâm phản ứng và rồi phân tách trở lại thành các electron và lỗ trống. Các ống nano – đóng vai trò dây dẫn – là kênh dẫn electron, vì thế tạo ra dòng điện. Các ống nano còn giúp sắp các đĩa lipid thành hàng ngay ngắn, đảm bảo các trung tâm phản ứng được phơi đều trước ánh sáng mặt trời.
“Cái đẹp của hệ thống này là một dung dịch lộn xộn thành phần có thể tự sắp xếp tự phát thành những cấu trúc có tổ chức cao, gồm hàng nghìn phân tử trong một cách bố trí đặc biệt, đơn giản bằng cách loại bỏ chất xúc tác bề mặt”, thành viên đội nghiên cứu, Ardemis Boghossian nói.
Quả táo và quả cam
“Sử dụng quá trình tái tạo trên, chúng tôi có thể kéo dài tuổi thọ của tế bào mặt trời của mình lên vô hạn, làm tăng hiệu suất của chúng hơn 300% trên 164 giờ chiếu sáng liên tục so với một tế bào không được tái tạo”, Boghossian nói. “Nếu chúng tôi có thể tăng nồng độ của những phức hợp này lên để tạo ra một dạng thức gói chặt, hoàn toàn ngăn nắp, thì chúng tôi có thể đạt tới giới hạn lí thuyết là 40% - vượt xa hiệu suất mà chúng ta thấy ở các tế bào mặt trời thương mại trên thị trường ngày nay”.
Việc so sánh các phức hợp MIT với các tế bào mặt trời hiện nay giống như là “so sánh táo với cam” vậy, Boghossian khẳng định. “Đa số tế bào mặt trời là tĩnh vì chúng cấu tạo từ những miếng silicon rắn hoặc màng mỏng. Còn các tế bào mặt trời của chúng tôi là động, giống hệt như các lá cây có thể tái tạo các protein của chúng mỗi 45 phút một lần trong một ngày thật sự nắng ấm”.
“Về cơ bản, chúng tôi đang bắt chước cách thức hoạt động mà tự nhiên đã khám phá ra hơn hàng triệu năm nay – đặc biệt là ‘tính thuận nghịch’, tức khả năng phá vỡ và lắp ráp trở lại”, Strano kết luận.
Nguồn: physicsworld.com
