Silicium og sol

På sit kontor ved stranden med udsigt over Santa Barbara-kanalen pakker Daniel Morse forsigtigt et af sine værdsatte eksemplarer ud. Et indviklet gitterværk af skinnende glasfibre, det ligner et stykke abstrakt kunst eller en detaljeret arkitektonisk model af en skyskraber. Men det er faktisk skelettet af en af ​​de mest primitive flercellede organismer, der stadig eksisterer - en art af marine svampe almindeligvis kendt som Venus' blomsterkurv. Morse, en molekylærbiolog ved University of California, Santa Barbara, vil gerne vide, hvordan et så simpelt væsen kan samle en så kompliceret struktur. Og så vil han sætte den viden i gang og lave sine egne eksotiske strukturer.

Daniel Morse har en art af marin svamp, almindeligvis kendt som Venus' blomsterkurv. (Kredit: Gregg Segal)

Den ringe svamp er kommet med en bemærkelsesværdig løsning på et problem, der har undret verdens bedste kemikere og materialeforskere i årtier: hvordan man får simple uorganiske materialer, såsom silicium, til at samle sig selv i komplekse nano- og mikrostrukturer. I øjeblikket betyder det at lave en mikroskala-enhed – for eksempel en transistor til en mikrochip – fysisk at skære den ud af en plade af silicium; det er en dyr og krævende proces. Men naturen har meget enklere måder at lave lige så komplekse mikrostrukturer ved at bruge intet andet end kemi - blande forbindelser sammen i den helt rigtige kombination. Svampens metode er særlig elegant. Svampen sidder på havbunden tusindvis af meter under overfladen af ​​det vestlige Stillehav og udvinder kiselsyre fra det omgivende havvand. Det omdanner syren til siliciumdioxid – silica – som i en bemærkelsesværdig præstation af biologisk ingeniørkunst derefter samles til en præcis, tredimensionel struktur, der gengives i nøjagtige detaljer af hvert medlem af dens art.

Denne historie var en del af vores november 2006-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Det, der gør svampenes præstation så imponerende, siger Morse, er, at det ikke kræver de giftige kemikalier og høje temperaturer, der er nødvendige for menneskelig fremstilling af komplekse uorganiske strukturer. Svampen, siger han, kan samle indviklede strukturer langt mere effektivt end ingeniører, der arbejder med de samme halvledermaterialer.

Dette primitive væsen og en række andre marine organismer er blevet en inspiration for forskere, der håber at finde enklere og billigere måder at bygge uorganiske strukturer på, såsom halvlederenheder, til brug i computermikrochips, avancerede materialer og solceller. Målet er at få silicium og andre uorganiske stoffer til at samle sig selv til fungerende elektronik på samme måde, som svampen samler silica til komplekse former (se Andre i Bio-inspirerede materialer,) . Energikrævende, milliard-dollar halvlederfabrikation faciliteter kan derefter blive erstattet af beholdere med reagerende forbindelser. Men mens praktiske industrielle processer stadig er et stykke væk, er videnskabsmænd ved at forstå, hvordan svampe og andre havdyr udfører deres mikrotekniske mirakler.

Morse og hans team bruger for eksempel allerede biologiske tricks lært af svampen til at lave nye former for halvledere med spændende elektroniske egenskaber, herunder evnen til at konvertere lys til elektricitet – egenskaber, der kunne være nyttige til at lave billigere og mere effektive solceller . Hans gruppe, siger Morse, bygger strukturer, der aldrig var blevet opnået før.

Start fra begyndelsen

Havvandstankene uden for Morses laboratorium vrimler med farverige søstjerner og korallimorpharians, eksotiske væsner, der ligner søanemoner. Men Morse og James Weaver, en postdoc i laboratoriet, er mere interesserede i en rustfarvet klat, der ikke ser bemærkelsesværdigt ud: en orange puffball-svamp, en type svamp, der normalt lever i klippespalter lige ud for Santa Barbara-kysten. Hvis Venus' blomsterkurv er glaskatedralen af ​​svampe, er dette halmhytten. Det uformelige væsen ser ud til slet ikke at have et skelet; men når først forskerne opløser det levende materiale af dets ydre, er der en håndfuld små glasnåle tilbage, hver kun to millimeter lange og tyndere end et menneskehår.

Selvom Morse i sidste ende ønsker at forstå svampeskeletter, der er mere komplekse, er disse simple nåle et godt sted at starte. Forskere har længe vidst, at kernen af ​​glasnålene er tråde af proteiner, men ingen forstod, hvad de gjorde, eller hvordan de forholdt sig til nålenes konstruktion. Så Morse og hans kolleger begyndte med at isolere den genetiske kode for et af proteinerne – som de som familie kom til at kalde silikatiner – og kørte deres resultater gennem en enorm database med kendte proteiner. De forventede ikke en kamp, ​​men de fandt en - med det samme. Proteinet lignede en protease, et enzym, der findes i den menneskelige tarm, og som er involveret i nedbrydning og fordøjelse af mad.

Det var meget bizart, siger Weaver. Hvorfor har proteinet, der danner skabelonen af ​​det glasagtige skelet af en svamp, noget at gøre med en protease? Forskerne begyndte at mistænke, at silikatinerne gjorde mere end blot at tjene som en passiv skabelon. Faktisk fandt de ud af, at i modsætning til ethvert andet enzym, der tidligere er undersøgt, kan et silikatin udføre dobbelt arbejde. Det producerer aktivt byggematerialer såsom siliciumoxid - på en måde ved at fordøje forbindelser i havvandet - og får derefter materialerne til at stille sig op langs dets længde for at danne det nåleformede glas af svampeskelettet. Intet sådant enzym var blevet opdaget, siger Morse, i hele undersøgelsen af ​​biomineralisering, som har stået på i et par hundrede år.

Morse mente, at hvis silicateiner var så gode til at producere siliciumoxid, ville de måske også være i stand til at producere de typer metaloxider, der danner gode halvledere i elektronik og i nogle slags solceller. Han havde ret. Ved 16 grader Celsius, den temperatur, hvorved svampen lever i det kølige vand lige ud for vores laboratorium, siger Morse, vil dette enzym katalysere dannelsen og stabilisere dannelsen af ​​krystalformer af metaloxid-halvledere, som ikke kan fremstilles konventionelt. undtagen ved meget høje temperaturer.

Resultatet foreslog en billigere måde at fremstille halvledere ved lavere temperaturer, men der var et potentielt problem: forurening. En biolog er ekstatisk, når de får en renhed på for eksempel 90 procent. En kemiker er ekstatisk, når de får en renhed på 99 procent, siger Morley Stone, en biokemiker, der leder forskning i bioteknologi og materialer for Air Force Research Labs ved Wright-Patterson Air Force Base, nær Dayton, OH. Men en elektronikingeniør eller en anden, der har brug for at lave enheder - de vil i det mindste se materialer, der har fem niere af renhed bag sig. Han tilføjer: Ofte, når du tager disse biologiske tilgange, kan du dyrke nogle interessante ting og få nogle interessante morfologier, men de er ikke i nærheden af ​​at have den sluttilstandsrenhed, som du ville have brug for i en endelig enhed.

Morse og hans kolleger vidste, at hvis de håbede på at lave halvledermaterialer til billige, men effektive solceller, ville de sandsynligvis have brug for en kemisk synteseteknik, der tog udgangspunkt i svampene, men undgik den rodede biologi. Svampens hemmelighed, opdagede de, var, at amin- og hydroxyl-kemiske grupper i enzymet producerer siliciumoxidet og samler det på den nødvendige måde. Det betød, at alle de kemikalier, en ny synteseteknik ville kræve, kunne findes i ammoniak og vand. Forskerne fandt ud af, at ved at blande molekyler indeholdende metaloxidernes forstadier i vand og derefter udsætte blandingen for ammoniakgas, kunne de skabe tynde film af højkrystallinske halvledere - materialer, der er nyttige til elektronik. Dette er det gennembrud, der får os ind på området for praktisk anvendelighed, siger Morse.

Desuden har krystallerne en kompleks nanostruktur, der kan forbedre ydeevnen af ​​fotovoltaiske enheder. Nær vandets overflade er koncentrationen af ​​ammoniakgas relativt stærk, så det er her, halvlederkrystallen begynder at dannes. Efterhånden som ammoniakken langsomt diffunderer dybere ned i vandet, får det dog krystaller til at vokse ned i blandingen, hvilket danner en tynd film, der ikke er ensartet, men snarere består af et netværk af nåle eller flade plader, der hver kun er nogle få milliardtedele meter tykke. Det netværk kan være grundlaget for en mere effektiv solcelle.

Soldrømme

De krystallinske siliciumsolceller, der i øjeblikket dominerer solcellemarkedet, er dyre - så dyre, at den energi, de producerer, koster flere gange så meget som energi genereret af fossile brændstoffer. En årsag er den høje pris på deres råvarer. Silicium er ekstremt rigeligt på jorden, men det eksisterer ikke som et rent grundstof; i stedet er det bundet op med ilt og andre grundstoffer - for eksempel i sand. At lave rent silicium kræver meget energi.

For at sænke omkostningerne til solceller har forskere ledt efter måder at skære ned på mængden af ​​silicium, de bruger. Nogle har vendt sig til billigere tyndfilm fremstillet af cadmiumtellurid eller kobberindiumdiselenid. Ekstremt tynde lag af disse nye halvledere kan absorbere den samme mængde lys som tykkere plader af krystallinsk silicium. Morses fremstillingsteknik kunne være en billig måde at lave sådanne tynde film på; desuden er den nanostruktur, som hans metode frembringer, særdeles velegnet til at absorbere lys og omdanne det til kraft.

En udfordring ved at designe solceller er at sikre, at elektronerne løsnes, når lys rammer en halvleder, skaber en strøm. Når en foton rammer et solcellemateriale, er resultatet både en fri elektron og dens positive modstykke, kaldet et hul. Hvis disse hurtigt kan trækkes fra hinanden til modsatte elektroder, opstår der en elektrisk strøm. Men vanskeligheden ved at adskille dem, før de rekombinerer og spreder energi som varme, er en af ​​de største vejspærringer for mere effektive solceller, siger Aravinda Kini, programleder for forskning i biomolekylære materialer ved det amerikanske energiministerium.

Morses strukturer kunne overvinde denne vejspærring. Netværket af krystallinske fremspring kunne nedsænkes i en gennemsigtig fast eller flydende elektrode. Lys ville passere gennem elektroden, hvor det ville blive absorberet af krystallen. Fordi overfladearealet af den strukturerede tynde film er højt (i ét materiale, 90 til 100 gange større end en traditionel tynd film), ville mange af elektron-hul-parrene, der genereres af lyset, være nær elektrodegrænsefladen; som et resultat kunne de hurtigt adskilles, hvor den ene ladningsbærer bevægede sig ind i den transparente elektrode, og den anden bærer bevægede sig gennem krystallen for at komme ud ved den modsatte elektrode.

Allerede nu har Morse og kollegaer lavet mere end 30 typer halvleder tynde film og testet deres solcelleegenskaber. De arbejder nu på at inkorporere halvlederne i funktionelle solceller. Samtidig fortsætter Morse med at udvikle nye biologisk inspirerede metoder til at samle materialer med øje for yderligere applikationer, herunder halvlederenheder til sikrere batterier med højere effekttæthed og mindre hukommelseschips; han er også interesseret i at skabe laminerede fibre til ultrastærke byggematerialer.

Men selvom han er begejstret for de potentielle anvendelser af hans arbejde, er Morse fortsat en molekylærbiolog. Selv mens han taler om, hvordan hans forskning kunne føre til bedre solceller, ser han ud af vinduet på delfinerne, der boltrer sig i havnen. Og han er stadig dedikeret til at forstå mekanismen bag svampens kompleksitet. Endnu en gang undersøger han det udsøgte skelet af Venus' blomsterkurv, selvom han uden tvivl har set det tusindvis af gange. Dette var lavet af glas, af et levende væsen, udbryder han. Det er utroligt!

Kevin Bullis er Teknologigennemgang redaktør for nanoteknologi og materialevidenskab.

Andre i bio-inspirerede materialer

Forsker

Mål

Strategi

Joanna Aizenberg,

Lucent Technologies, Murray Hill, NJ

Stærke, selvhelbredende byggematerialer og mere modstandsdygtige optiske fibre

Forstå hvordan svampe samler uorganiske materialer

Illhan Aksay,

Princeton
Universitet

Selvhelbredende materialer og bedre biosensorer

Undersøgelse af muslingeskaller og andre biologiske systemer

Angela Belcher,

MED

Bedre batterier og avancerede materialer til elektronik, energi og medicin

ingeniørarbejde
vira til at samle materialer

Samuel I. Stupp,

Nordvestlig
Universitet

Bedre sensorer og solceller

Brug af peptider
at styre dannelsen af ​​uorganiske strukturer

skjule