ابتكر علماء الجامعة الوطنية الروسية للأبحاث النووية “ميفي” خلايا شمسية تعتمد على مادة هجينة تتكون من نقاط الكم والبروتينات الحساسة للضوء.
ويعتقد الباحثون أن هذه الخلايا لديها إمكانات كبيرة للطاقة الشمسية ومعالجة المعلومات البصرية. يشار إلى إن نتائج هذه الدراسة تم نشرها في المجلة العلمية “سيانس دايريكت”.
يمكن لبروتينات العتائق – الكائنات القديمة أحادية الخلية – البكتريا الحلزونية – معالجة طاقة الضوء وتحويلها إلى طاقة الروابط الكيميائية (مثل الكلوروفيل في النباتات). ويحدث ذلك من خلال نقل الشحنة الموجبة من خلال غشاء الخلية. حيث تعمل البكتريا الحلزونية بمثابة “مضخة” للبروتون، مما يجعله عنصراً طبيعياً جاهزاً للخلايا الشمسية.
الفارق الرئيسي بين البكتريا الحلزونية والكلوروفيل هو قدرته على العمل من دون الأكسجين. هذا يسمح للعتائق أن تعيش في بيئة صعبة للغاية مثل أعماق البحر الميت، حيث أدى تطورها إلى ثباتها الكيميائي والحراري والبصري العالي. في الوقت نفسه، عند إجراء عملية الضخ للبروتون، تغير البكتريا الحلزونية اللون بشكل متكرر خلال مليارات أجزاء من الثانية، لذلك فهو مادة واعدة لتصميم معالجات التصوير المجسم ثلاثية الأبعاد.
وفي هذا الإطار تمكن العلماء في الجامعة الوطنية للأبحاث النووية “ميفي” من تحسين خصائص البكتريا الحلزونية بشكل كبير من خلال ربطها بالنقاط الكمومية – الجسيمات النانوية من أشباه الموصلات القادرة على تركيز الطاقة الضوئية ضمن مقياس عدد قليل من النانومترات ونقلها إلى البكتريا الحلزونية دون أن ينبعث عنها الضوء.
فيكتور كريفينكوف أحد العاملين في هذه الدراسة الباحث في الجامعة الوطنية للأبحاث النووية “ميفي” تحدث في هذا الشأن قائلاً: “لقد قمنا بتصميم خلية فعالة للغاية حساسة للضوء تعمل على توليد التيار الكهربائي تحت تأثير الضوء مع طاقة منخفضة للغاية من الفوتون. هذه الخلية لا تعمل في ظل الظروف العادية، لأن الجزيئات الحساسة للضوء مثل البكتريا الحلزونية تمتص الضوء فقط في نطاق طاقة ضيق للغاية. في حين أن النقاط الكمومية تفعل ذلك في نطاق طاقة واسع للغاية، حتى إنه يمكن أن يحول فوتون منخفض الطاقة إلى فوتون واحد عالي الطاقة، كما لو أنه يمكن طيهما”.
وبحسب رأي الباحث فيكتور، فإنه من خلال خلق الظروف لانبعاث الفوتون عالي الطاقة، قد لا تتمكن نقطة كمومية من إصدار هذا الفوتون، وإنما نقله إلى البكتريا الحلزونية. هكذا حصل الباحثون في الجامعة الوطنية للأبحاث النووية “ميفي” على خلية يمكن أن تعمل تحت الإضاءة في نطاق يبدأ من الأشعة فوق البنفسجية وينتهي بالأشعة تحت الحمراء.
إيغور نابييف العالم البارز في مختبر الهندسة النانوية في جامعة “ميفي” أشار قائلاً: “نحن نستخدم نهجاً متعدد التخصصات عند تقاطع علوم الكيمياء والبيولوجيا وفيزياء الجسيمات النانوية والضوئيات. ويتم الحصول على النقاط الكمومية بواسطة طرق التوليف الكيميائي والمغلفة بجزيئات تجعل من سطحها متوافقة حيوياً ومشحونة في نفس الوقت، ثم ترتبط بسطح البكتريا الحلزونية التي تحتوي على عتائق الأغشية الأرجوانية الهالوجين Halobacterium salinarum. والنتيجة لدينا مجمعات هجينة تكون فيها كفاءة نقل الطاقة من النقطة الكمومية إلى البكتريا الحلزونية مرتفعة للغاية (حوالي 80٪)”
وبحسب رأي معدي هذه الدراسة، توضح النتائج التي تم الحصول عليها إمكانية إنشاء عناصر حساسة للغاية تتسم بالكفاءة استناداً إلى البنية الحيوية. وهي قابلة للتطبيق ليس فقط في مجال الطاقة الشمسية، ولكن أيضاً في معالجة المعلومات البصرية.
يؤكد الباحثون على الجودة العالية جداً للمواد الهجينة النانوية واحتمال تصميم أفضل العينات التجارية مع زيادة محتملة في الكفاءة. وتتمثل المهمة التالية لفريق البحث في هذا الاتجاه في تحسين بنية الخلية الحساسة للضوء.
