Ученые НИЯУ МИФИ создали «солнечную батарею» на основе гибридного материала, состоящего из квантовых точек и светочувствительных белков. Авторы разработки считают, что она имеет большой потенциал для солнечной энергетики и оптической обработки информации. Результаты исследования опубликованы в Biosensors and Bioelectronics.

Белки одноклеточных организмов архей – бактериородопсины – способны перерабатывать энергию света в энергию химических связей (подобно хлорофиллу у растений). Это происходит за счет переноса положительного заряда через клеточную мембрану. Бактериородопсин работает как протонный «насос», что делает его готовым природным элементом солнечной батареи.

Важное отличие бактериородопсина от хлорофилла – это его способность работать без участия кислорода. Это позволяет археям жить в очень агрессивных средах вроде глубин Мертвого моря, что эволюционно привело к их высокой химической, термической и оптической стабильности. При этом, осуществляя «прокачку» протона, бактериородопсин многократно меняет цвет за миллиардные доли секунды, поэтому он является перспективным материалом для создания голографических процессоров.

Ученые Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» сумели значительно улучшить эти свойства бактериородопсина, связывая его с квантовыми точками – полупроводниковыми наночастицами, способными концентрировать световую энергию в масштабах всего нескольких нанометров и передавать ее бактериородопсину без испускания света.

«Мы создали высокоэффективную работающую светочувствительную ячейку, генерирующую электрический ток под действием света с очень низкой энергией фотонов. В обычных условиях такая ячейка не работает, так как светочувствительные молекулы вроде бактериородопсина поглощают свет только в очень узком диапазоне энергий. А квантовые точки делают это в очень широком диапазоне, и даже могут преобразовать два фотона низкой энергии в один фотон высокой энергии, как бы складывая их», – рассказал один из авторов исследования, научный сотрудник НИЯУ МИФИ Виктор Кривенков.

По его словам, создавая условия для излучения фотона высокой энергии, квантовая точка может не излучать его, а передать бактериородопсину. Так в НИЯУ МИФИ получили ячейку, способную работать при освещении в диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного.

«Мы используем междисциплинарный подход на стыке химии, биологии, физики наночастиц и фотоники. Квантовые точки получают методами химического синтеза и покрывают молекулами, делающими их поверхность одновременно биосовместимой и заряженной, после чего связывают с поверхностью бактериородопсин-содержащих пурпурных мембран архей Halobacterium salinarum. В итоге у нас – гибридные комплексы, в которых эффективность переноса энергии от квантовой точки к бактериородопсину очень высока (около 80%)», – рассказал ведущий ученый лаборатории нано-биоинженерии НИЯУ МИФИ Игорь Набиев.

Как считают авторы разработки, полученные результаты демонстрируют потенциал создания высокоэффективных светочувствительных элементов на основе биоструктур. Они применимы не только в солнечной энергетике, но и в оптической обработке информации.

Авторы подчеркивают очень высокое качество нано-био-гибридного материала и перспективу превзойти лучшие коммерческие образцы с возможным увеличением эффективности на порядки. Следующая задача научного коллектива в этом направлении – оптимизировать структуру светочувствительной ячейки.