Элисон Суини из Пенсильванского университета изучает гигантских моллюсков с тех пор, как она была научным сотрудником в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре. Эти крупные моллюски, которые прикрепляются к коралловым рифам в тропических водах Индийского и Тихого океанов, могут достигать трех футов в длину и весить сотни фунтов. Но не только их размер делает их уникальными.
Любой, кто когда-либо занимался сноркелингом в Австралии или в западной части тропической части Тихого океана, говорит Суини, мог заметить, что поверхность гигантских моллюсков переливается радужными лучами, и кажется, что они сверкают невооруженным глазом. Блестящие клетки на поверхности моллюска рассеивают яркий солнечный свет, что обычно может привести к смертельному повреждению клетки, но моллюски эффективно превращают солнечный свет в топливо. Используя полученные знания об этих гигантских моллюсках, исследователи надеются улучшить процесс производства биотоплива.
Суини, доцент физики Пенсильванской школы искусств и наук, и ее коллега Шу Янг, профессор материаловедения и инженерии Школы инженерии и прикладных наук, называют моллюсков «солнечными». трансформаторы», потому что они способны поглощать яркий солнечный свет с очень высокой скоростью и рассеивать его на большой площади поверхности. Когда свет равномерно распределяется среди толстого слоя водорослей, живущих внутри моллюска, водоросли быстро преобразуют свет в энергию.
«То, что делают эти блестящие клетки, - говорит Суини, - заставляет свет проникать очень глубоко в ткани моллюска и распространяться».
Познакомившись с работой Суини, Ян начал сотрудничество, чтобы посмотреть, смогут ли они имитировать систему, абстрагируя принципы процесса моллюска, чтобы создать материал, который работает аналогичным образом. Она и доктор философии. студентка Хе-На Ким разработала метод синтеза наночастиц и добавления их в эмульсию - смесь воды, масла и мыльных молекул, называемых поверхностно-активными веществами - для формирования микрогранул, имитирующих иридоциты, клетки гигантских моллюсков, отвечающие за преобразование солнечной энергии. Их статья была принята в Advanced Materials.
Суини сравнил процесс с приготовлением винегрета для салата. Чем больше человек встряхивает ее, тем мельче капельки масла в повязке. Если взять наночастицы, добавить их в масляно-водную эмульсию и встряхнуть ее с нужной скоростью, можно контролировать размер капель. Проведя оптическую характеристику бусинок, исследователи обнаружили, что они функционируют очень похоже на клетки моллюска.
Irodycites, «блестящие» клетки на поверхности моллюсков, заставляют свет очень глубоко проникать в ткань моллюска и распространяться. Когда свет равномерно распределяется среди толстого слоя водорослей, живущих внутри моллюска, водоросли быстро преобразуют свет в энергию.
"Это очень эффективно, но очень трудно достижимо", - говорит Ян. «Люди пытаются сделать это, создавая наночастицы, но вам нужно провести много синтеза и найти способы точно контролировать их размер, форму и оптические свойства, что становится сложным и дорогим. Наш метод и прост, и недорог, и в то же время в то же время дает лучшие результаты, чем все эти другие системы."
Следующий шаг исследователей - попытаться имитировать организацию водорослей внутри моллюсков, заставляя водоросли расти в виде гелевых столбиков. Как только они поймут, как это сделать, они надеются объединить свои искусственные иридоциты и водоросли и измерить систему, чтобы увидеть, может ли она производить топливо с такой же высокой эффективностью, как гигантский моллюск.
В случае успеха метод можно использовать для фотосинтеза для повышения эффективности производства биотоплива. Его также можно использовать в солнечных панелях для выработки, хранения или предотвращения тепла, чтобы обеспечить лучший контроль температуры в зданиях.
«Приятно видеть умные, неинтуитивные способы решения проблем, которые придумала жизнь», - говорит Суини. «Как правило, эволюция намного умнее, чем люди-инженеры, и хитрость заключается в том, чтобы задавать умные вопросы о том, какая проблема дизайна решается в каждом эволюционном случае. человеческий подход сверху вниз."