Σουηδοί ερευνητές αξιοποίησαν την πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνη για τη δημιουργία μικροσκοπικών φωτοβολταϊκών με πιθανές εφαρμογές σε νανοσυσκευές
Ρίξτε υπεριώδες φως σε μια σταγόνα φωσφορίζουσας πρωτεΐνης μέδουσας και, για μια στιγμή, σταματά να συμπεριφέρεται σαν βιολογικό υλικό και αρχίζει να συμπεριφέρεται σαν ηλιακό κύτταρο.
Ένα ηλεκτρόνιο εγκαταλείπει το μόριο, ένα κύκλωμα το συλλέγει και το ρεύμα ρέει.
Αυτό ήταν περίπου το εγχείρημα που παρουσιάστηκε από το Γκέτεμποργκ στα τέλη της δεκαετίας του 2000, όπου μια μικρή ομάδα στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Chalmers κατασκεύασε ακριβώς αυτό: μια φωτοβολταϊκή συσκευή της οποίας το υλικό απορρόφησης φωτός ήταν η πρωτεΐνη που κάνει την Aequorea victoria να φωσφορίζει πράσινα.
Χωρίς σπάνιες γαίες και χρωστική που συντίθεται σε εργαστήριο.
Τι έκανε εκεί η πρωτεΐνη
Η πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνη, GFP για όσους εργάζονται με αυτήν, είναι το πιο διάσημο μόριο που οι περισσότεροι άνθρωποι δεν έχουν ακούσει ποτέ.
Ο Osamu Shimomura την απομόνωσε από μέδουσες του Ειρηνικού το 1962 και μέχρι τη δεκαετία του 1990 είχε γίνει ο καθολικός «δείκτης» της βιολογίας: συνδέστε το γονίδιό της με ένα άλλο γονίδιο και ό,τι παράγει αυτό το γονίδιο θα φωσφορίζει.
Αυτή η ερευνητική πορεία χάρισε στους Shimomura, Martin Chalfie και Roger Tsien το Νόμπελ Χημείας του 2008.
Ο φθορισμός και ο ηλεκτρισμός είναι, ωστόσο, δύο διαφορετικά πράγματα. Ένα φθορίζον μόριο απορροφά ένα φωτόνιο υψηλής ενέργειας, χάνει ένα μικρό μέρος της ενέργειας ως θερμότητα και εκπέμπει ένα φωτόνιο χαμηλότερης ενέργειας. Υπεριώδες φως εισέρχεται, πράσινο φως εξέρχεται.
Ένα ηλιακό κύτταρο ζητά κάτι πιο δραστικό: το διεγερμένο ηλεκτρόνιο να εγκαταλείψει εντελώς το μόριο και να εκτελέσει μια εργασία.
Η μετάβαση από την πρώτη συμπεριφορά στη δεύτερη είναι ολόκληρο το μηχανικό πρόβλημα.
Ένα κενό πλάτους 30 νανομέτρων
Ο Zackary Chiragwandi και οι συνεργάτες του στο Chalmers και στο Πανεπιστήμιο του Γκέτεμποργκ παρουσίασαν τον εξοπλισμό στο Applied Physics Letters το 2006: δύο ηλεκτρόδια αλουμινίου επικαλυμμένα με οξείδιο, τοποθετημένα σε απόσταση 30 νανομέτρων μεταξύ τους πάνω σε ένα τσιπ, με μια σταγόνα ενισχυμένης GFP να γεφυρώνει το κενό.
Η ενισχυμένη GFP είναι η εργαστηριακά παραγόμενη εκδοχή, που καλλιεργείται σε βακτήρια, χωρίς να εμπλέκονται πλοκάμια. Όταν παραμένει μόνη της, αυτοσυναρμολογείται σε ίνες που διασχίζουν το κενό.
Μια επόμενη μελέτη στο Journal of Physical Chemistry C δοκίμασε τη συσκευή στην πράξη. Εμφανίστηκε ρεύμα χωρίς να εφαρμοστεί καθόλου εξωτερική τάση: η λεπτομέρεια που διαχωρίζει ένα ηλιακό κύτταρο από έναν διακόπτη που ενεργοποιείται από το φως.
Το ρεύμα ακολουθούσε το ίδιο το φάσμα απορρόφησης της GFP, επιβεβαιώνοντας ότι η πρωτεΐνη ήταν πράγματι αυτή που συλλέγει το φως. Η απόδοση μειωνόταν σταθερά καθώς αυξανόταν η θερμοκρασία, κάτι που οι συγγραφείς απέδωσαν στη σταδιακή αποδιοργάνωση μιας τακτικής, παρόμοιας με υγρό κρύσταλλο, διάταξης των ινών πρωτεΐνης.
Και μετά υπάρχει ο αριθμός που τα καθορίζει όλα.
Ο Chiragwandi δήλωσε στο CNN το 2010 ότι στόχος ήταν να δημιουργηθούν νανοσυσκευές που θα μπορούσαν να λειτουργούν μέσα στο σώμα, με εφαρμογές όπως η αποκατάσταση της όρασης ή η καταπολέμηση όγκων.
Μια σύγχρονη αναφορά του DogoNews τοποθέτησε την πραγματική απόδοση σε δεκάδες nanoampere. Ένα nanoampere είναι ένα δισεκατομμυριοστό του ampere, ενώ ένας φορτιστής τηλεφώνου παρέχει περίπου δύο ampere. Για νανοκλίμακες ιατρικές συσκευές, όπου σχεδόν τίποτα άλλο δεν χωρά και η τοξικότητα αποκλείει τις περισσότερες εναλλακτικές, ακόμη και αυτή η μικρή ροή ήταν αρκετή για να έχει σημασία.
Γιατί η ιδέα σταμάτησε
Δύο μελέτες από μία ομάδα αποτελούν αφετηρία και όχι έναν ολόκληρο κλάδο, και το ηλιακό κύτταρο με πρωτεΐνη μέδουσας δεν ξεπέρασε ποτέ το εργαστήριο.
Καμία μεταγενέστερη μελέτη δεν προσδιόρισε με ακρίβεια το γιατί, όμως ορισμένοι πιθανοί λόγοι ξεχωρίζουν.
Οι πρωτεΐνες είναι υγρές, εύθραυστες και απαιτούν συγκεκριμένες θερμοκρασίες, κάτι που συμφωνεί με τα ίδια τα δεδομένα της ομάδας του Chalmers. Η GFP απορροφά περισσότερο στην υπεριώδη περιοχή, ένα μικρό μόνο τμήμα της ακτινοβολίας που πραγματικά φτάνει στην επιφάνεια της Γης.
Το πυρίτιο, κατά τα ίδια χρόνια, έγινε φθηνότερο περίπου κατά μία τάξη μεγέθους, γεγονός που από μόνο του τείνει να αποδυναμώνει την υπόθεση υπέρ οτιδήποτε μη αποδεδειγμένου.
Όλα μαζί αποτελούν μια εύλογη εξήγηση για το πού σταμάτησε η προσπάθεια, αν και τίποτα στο διαθέσιμο ιστορικό δεν το επιβεβαιώνει.
Η βιολογία όντως πέρασε σε λειτουργικά φωτοβολταϊκά, αλλά μέσω ολόκληρων οργανισμών και όχι απομονωμένων πρωτεϊνών.
Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Cambridge, σε συνεργασία με τον σχεδιαστή μικροτσίπ Arm, έκλεισαν κυανοπράσινα φύκη σε ένα δοχείο μεγέθους μπαταρίας AA και τροφοδότησαν έναν μικροεπεξεργαστή χαμηλής κατανάλωσης για περισσότερο από έναν χρόνο, χρησιμοποιώντας μόνο το φως του περιβάλλοντος και νερό.
Ο Paolo Bombelli, πρώτος συγγραφέας της μελέτης στο Energy and Environmental Science, δήλωσε ότι η ομάδα περίμενε πως το σύστημα θα σταματούσε να λειτουργεί μέσα σε λίγες εβδομάδες.
Εκεί όπου η πρωτεΐνη βρίσκει πραγματικά τη χρησιμότητά της
Τα φωτόνια, όπως αποδεικνύεται, είναι η πραγματική ειδικότητα της GFP. Ένας φωτοσυγκεντρωτής φωταύγειας είναι ένα διαφανές φύλλο στο οποίο έχει προστεθεί φθορίζουσα χρωστική: η χρωστική συλλαμβάνει το ηλιακό φως σε ολόκληρο το πάνελ, το επανεκπέμπει και το φύλλο διοχετεύει αυτό το φως πλευρικά σε στενές λωρίδες συμβατικού πυριτίου κατά μήκος των άκρων.
Οι περισσότερες εκδοχές βασίζονται σε εκπομπούς σπάνιων γαιών ή τοξικούς εκπομπούς, κάτι που δεν ταιριάζει ιδιαίτερα με οτιδήποτε πωλείται ως πράσινο παράθυρο.
Μια ομάδα με επικεφαλής τη Rute Ferreira στο Πανεπιστήμιο του Aveiro κατασκεύασε ένα τέτοιο σύστημα γύρω από ενισχυμένη GFP και το παρουσίασε στο Green Chemistry το 2020, επιτυγχάνοντας απόδοση μετατροπής ισχύος περίπου 0,35% όταν συνδυάστηκε με κυψέλες πυριτίου.
Μέτρια μεγέθη, τα οποία αναφέρθηκαν ξεκάθαρα. Μια μελέτη του 2025 στο Small, με επικεφαλής τη Sihan Lei στην πανεπιστημιούπολη Straubing του Τεχνικού Πανεπιστημίου του Μονάχου, εγκλώβισε ένα συγγενικό μόριο της GFP που ονομάζεται T-Sapphire σε στερεή εποξική ρητίνη αντί για νερό.
Η οπτική απόδοση έφτασε το 7,41%, ενώ η στερεά εκδοχή άντεξε 32 φορές περισσότερο από την υγρή πριν εξασθενήσει το σήμα: οκτώ ημέρες έναντι έξι ωρών. Η οπτική απόδοση περιγράφει πόσο αποτελεσματικά ένα φύλλο διοχετεύει το φως στις άκρες του, επομένως δεν συγκρίνεται άμεσα με την ονομαστική ισχύ ενός ηλιακού πάνελ, και μία μελέτη παραμένει μία μελέτη.
Η Aequorea victoria περιφέρεται εδώ και πολύ καιρό στα ανοικτά των ακτών της Βόρειας Αμερικής στον Ειρηνικό, χωρίς κανένα συμφέρον στην αγορά ηλεκτρικής ενέργειας.
Η πρωτεΐνη της που προκαλεί τη λάμψη αποδείχθηκε κακή γεννήτρια και καλός «διανομέας», συλλέγοντας φως σε ένα σημείο και παραδίδοντάς το σε πυρίτιο κάπου αλλού.
Πρόκειται για μια δουλειά που ταιριάζει περισσότερο σε παράθυρα παρά σε στέγες, μια μικρότερη φιλοδοξία από εκείνη που δημιουργούσαν οι τίτλοι του 2010 και μια λύση πολύ πιο πιθανό να αντέξει την επαφή με ένα εργοστάσιο.
www.worldenergynews.gr
