“ใบไม้” ประดิษฐ์ที่ออกแบบโดย Chong Liu และเพื่อนเว็บตรงร่วมงานรวบรวมพลังงานแสงอาทิตย์เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า กระแสน้ำแบ่งโมเลกุลของน้ำออกเป็นออกซิเจนและไฮโดรเจน และแบคทีเรียในน้ำจะเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์และไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงหรือสารเคมีที่มีประโยชน์อื่นๆประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสงตามธรรมชาติถูกจำกัดด้วยเม็ดสีที่ดูดซับแสงในพืชหรือแบคทีเรีย เขากล่าว ผู้คนได้ออกแบบวัสดุที่ดูดซับแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น แต่เมื่อพูดถึงการเปลี่ยนพลังงานแสงนั้นเป็นเชื้อเพลิง แบคทีเรียก็เปล่งประกาย
Dick Co กรรมการผู้จัดการของ Solar Fuels Institute
แห่ง Northwestern University ในเมือง Evanston รัฐอิลลินอยส์ กล่าวว่า “การใช้แนวทางแบบไฮบริดช่วยใช้ประโยชน์จากสิ่งที่แต่ละฝ่ายทำได้ดีกว่า”
แรงบันดาลใจในยุคแรกๆ ของหลิวคือความพยายามในยุคอพอลโลในการสร้างระบบช่วยชีวิตสำหรับภารกิจอวกาศที่มีคนควบคุม แนวคิดคือการใช้วัสดุอนินทรีย์กับแบคทีเรียพิเศษเพื่อเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ที่หายใจออกของนักบินอวกาศให้เป็นอาหาร แต่ความพยายามในช่วงต้นไม่เคยไปไหนเลย
“ประสิทธิภาพต่ำมาก แย่กว่าที่คุณคาดหวังจากพืช” Liu กล่าว และแบคทีเรียก็ตายไปเรื่อย ๆ อาจเป็นเพราะส่วนอื่น ๆ ของระบบกำลังผลิตโมเลกุลที่เป็นพิษต่อแบคทีเรีย
ในฐานะนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Liu ตัดสินใจใช้ความเข้าใจของเขาเกี่ยวกับเคมีอนินทรีย์เพื่อสร้างระบบที่ทำงานร่วมกับแบคทีเรียได้ ไม่ใช่ต่อต้านแบคทีเรีย ครั้งแรกที่เขาออกแบบระบบที่ใช้ สายนาโนที่เคลือบ ด้วยแบคทีเรีย สายไฟนาโนรวบรวมแสงแดด เหมือนกับชั้นดูดซับแสงบนแผงโซลาร์เซลล์ และแบคทีเรียก็ใช้พลังงานจากแสงอาทิตย์นั้นเพื่อทำปฏิกิริยาเคมีที่เปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นเชื้อเพลิงเหลว เช่น ไอโซโพรพานอล
ในฐานะเพื่อนดุษฎีบัณฑิตในห้องทดลองของ Daniel Nocera
นักเคมีจากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด Liu ได้ร่วมมือกันในแนวทางที่แตกต่างออกไป Nocera กำลังทำงานเกี่ยวกับ “ใบไม้ไบโอนิค” ซึ่งแผงโซลาร์เซลล์ให้พลังงานเพื่อแยกน้ำออกเป็นก๊าซไฮโดรเจนและออกซิเจน จากนั้น แบคทีเรีย Ralstonia eutrophaจะกินก๊าซไฮโดรเจนและดึงคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากอากาศ จุลินทรีย์เหล่านี้ได้รับการดัดแปลงพันธุกรรมเพื่อเปลี่ยนส่วนผสมให้เป็นไอโซโพรพานอลหรือเชื้อเพลิงเหลวชนิดอื่น แต่โครงการประสบปัญหาเดียวกันหลายประการกับความพยายามในการสังเคราะห์ด้วยแสงประดิษฐ์จากแบคทีเรีย: ประสิทธิภาพต่ำและแบคทีเรียที่ตายแล้วจำนวนมาก
บรรจุขวด
ใบไม้ไบโอนิคไม่เหมือนกับสิ่งที่คุณพบบนต้นไม้ ที่นี่ สายไฟจะนำกระแสไฟฟ้าไปไว้ในขวดที่บรรจุน้ำและจุลินทรีย์ กระแสไฟฟ้าจะแยกโมเลกุลของน้ำ จากนั้นจุลินทรีย์จะเปลี่ยนไฮโดรเจนที่เป็นผลลัพธ์ให้เป็นเชื้อเพลิง
“Chong ค้นพบวิธีทำให้ระบบมีประสิทธิภาพสูงสุด” Nocera กล่าว “เขาคิดค้นตัวเร่งปฏิกิริยาที่เข้ากันได้ทางชีวภาพ” ที่กระตุ้นปฏิกิริยาเคมีภายในระบบโดยไม่ฆ่าแบคทีเรียที่สร้างเชื้อเพลิง ความก้าวหน้านั้นจำเป็นต้องกลั่นกรองเอกสารทางวิทยาศาสตร์จำนวนนับไม่ถ้วนเพื่อหาเบาะแสว่าวัสดุต่างๆ อาจมีปฏิกิริยากับแบคทีเรียอย่างไร จากนั้นจึงทดสอบตัวเลือกต่างๆ มากมายในห้องปฏิบัติการ ในท้ายที่สุด หลิวได้เปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยาปัญหาของระบบเดิม ซึ่งทำให้โมเลกุลออกซิเจนชนิดที่ฆ่าจุลินทรีย์และมีปฏิกิริยาตอบสนองสูง โดยใช้โคบอลต์ฟอสฟอรัสซึ่งไม่รบกวนแบคทีเรีย
Chong เป็นคนที่ “มีฝีมือและใจกว้าง” Nocera กล่าว “ความสามารถของเขาในการรวมสาขาต่างๆ เข้าด้วยกันเป็นสินทรัพย์ที่ยิ่งใหญ่”
ทีมเผยแพร่ผลงานในScienceในปี 2559 โดยรายงานว่าอุปกรณ์ดังกล่าว มีประสิทธิภาพมากกว่าพืช ในการกำจัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ประมาณ 10 เท่า Liu คำนวณด้วยพลังงาน 1 กิโลวัตต์-ชั่วโมงที่ให้พลังงานแก่ระบบ มันสามารถรีไซเคิลคาร์บอนไดออกไซด์ทั้งหมดในอากาศมากกว่า 85,000 ลิตรให้เป็นโมเลกุลอื่นๆ ที่สามารถเปลี่ยนเป็นเชื้อเพลิงได้ นักวิจัยได้เปลี่ยนก๊าซไนโตรเจนเป็นแอมโมเนียสำหรับปุ๋ยโดยใช้แบคทีเรียที่แตกต่างกัน แต่มีการตั้งค่าโดยรวมเหมือนกัน ซึ่งอาจนำเสนอแนวทางที่ยั่งยืนมากขึ้นสำหรับวิธีการกลืนกินพลังงานที่ใช้สำหรับการผลิตปุ๋ยในปัจจุบัน
แบคทีเรียในดินทำปฏิกิริยาคล้ายคลึงกัน เปลี่ยนไนโตรเจนในบรรยากาศให้เป็นรูปแบบที่พืชใช้งานได้ ตอนนี้ที่ UCLA Liu กำลังเปิดห้องทดลองของตัวเองเพื่อศึกษาวิธีที่ส่วนประกอบอนินทรีย์ของดินมีอิทธิพลต่อความสามารถของแบคทีเรียในการดำเนินการเหล่านี้และปฏิกิริยาเคมีที่สำคัญอื่นๆ เขาต้องการเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างดินและจุลินทรีย์ — เขาไม่ได้บ้ากระโดดอย่างที่เห็น สิ่งที่คุณอาจขุดออกมาจากสวนของคุณก็เหมือนกับวิธีการสังเคราะห์แสงของเขา “วัสดุอนินทรีย์และสารชีวภาพ” เขากล่าว “มันเป็นส่วนผสม”
Liu พร้อมที่จะวางเดิมพันใหม่ คราวนี้เป็นการสร้างปฏิกิริยาขึ้นใหม่ในดินแบบเดียวกับที่เขาเลียนแบบปฏิกิริยาในใบไม้เว็บตรง / บาคาร่าเว็บตรง
