För att täcka världens energibehov på ett hållbart sätt blickar många forskare idag mot solen och undersöker hur den på ett effektivt sätt ska kunna ta över som primär energikälla. Den nya studien visar att man, med hjälp av DNA och färgämnen, enkelt kan göra system som samlar in solljus.
– På lång sikt skulle det här kunna bidra till att utveckla alternativ till våra klassiska solceller, som är gjorda av kisel. Man skulle kunna få en effektiv energiinsamling och dessutom på ett mer miljövänligt sätt, säger Jakob Woller på Chalmers tekniska högskola, som är första författare till studien.
Ett steg närmare naturen
Man kan säga att forskarna försöker härma växternas system som omvandlar den outsinliga energikällan i solens ljus till bränsle. Med tanke på att den energi som solen strålar oss med under en timme motsvarar ungefär all vår energiförbrukning under ett år så skulle en konstgjord fotosyntes kunna täcka en stor del av världens energiproduktion – om forskarna lyckas.
Efter att ha brottats med frågor kring energiforskning under lång tid har den här forskargruppen nu gjort ett genombrott inom tekniken och tagit att första steg mot konstgjord fotosyntes. Deras metod med färgämnen bundet till DNA efterliknar växternas metod.
– Kanske det mest intressanta är att vårt sätt att samla in ljusets energi på är så lätt att göra. Man kan blanda dom olika bitarna (DNA och färgämnen) och så bygger systemet sig själv, utifrån en design man har gjord på förhand. DNA fungerar här som en byggnadsställning för färgämnena och i naturen är det proteiner som är byggnadsställning för andra färgämnen – som till exempel klorofyll, säger Jakob Woller.
Självorganiserande byggställningar
DNA-molekylerna organiserar sig själva och kan bygga precis den ställning som forskarna vill. På den här byggställningen kan färgämnena sitta och samla in ljus. I naturen består byggställningen av proteiner som organiserar klorofyllmolekylerna så att de ska kunna samla in samma energi på ett effektivt sätt.
– Om man använder DNA för att organisera de ljusinsamlande färgämnena så får man inte riktigt samma precision som i växterna men man får ett levande och rörligt system som bygger sig självt, säger säger Jonas Hannestad, doktor i fysikalisk kemi.
Ett underhållsfritt system
Systemet kan också reparera sig självt. Om någon av de ljusinsamlande molekylerna går sönder så är den utbytt mot en annan en sekund senare. Precis som i naturen. I växter och alger flyttas den insamlade solenergin till ett ställe där den kan bli till socker eller andra energirika molekyler.
– Det är första gången DNA och färgämnen används på det här sättet. Det nya är att vi insåg att man kan skicka ljus in på färgämnena och använda dom för att samla energin från ljuset på ett bestämt ställe. Samma princip används av naturen, säger Jakob Woller.
– Vi kan flytta energi till ett reaktionscentrum, men vi har inte löst hur själva reaktionen ska gå till där. Det är egentligen den svåraste delen av artificiell fotosyntes. Vi har demonstrerat att man enkelt kan bygga en antenn. Den delen av miraklet har vi återskapat, säger Bo Albinsson, professor i fysikalisk kemi vid Chalmers tekniska högskola.
Två svåra tekniker kombineras
Som en liten inblick i hur komplicerad den här konstgjorda fotosyntesen och DNA-nanotekniken är kan man nämna att det handlar om miljarddelar av en meter när forskarna bygger nanoföremål. Men eftersom DNA-strängar fäster i varandra på ett förutsägbart sätt så fungerar DNA ändå utmärkt som byggmaterial. Forskarna behöver bara ge rätt monteringsanvisningar så kan en samling DNA-strängar bilda nästa vilken struktur som helst.
– Eftersom det är möjligt att skapa DNA-baserade strukturer i två och tre dimensioner med i det närmaste oändlig variation är det möjligt att anpassa vårt system så att det går att kombinera med andra funktioner. Till exempel för att överföra eller bearbeta information på nanoskala, säger säger Jonas Hannestad.
Ledaren för forskargruppen, Bo Albinsson, beskriver det som ett pussel där bitarna bara kan sitta ihop på ett enda sätt.
– Därför kan man rita en ganska komplicerad struktur med papper och penna och veta i princip hur den kommer att se ut. De egenskaperna använder vi sedan för att styra hur ljusinsamlingen ska gå till.
Tar nanoteknologin vidare
I praktiken skulle det forskarna nu har visat kunna användas i till exempel solceller – även om det är en bra bit kvar dit. På kortare sikt och mera teoretisk tror forskarna att resultaten kan bidra som inspiration för andra forskargrupper som jobbar med liknande problemlösning.
Nu vill forskarna visa hur man kan göra större system och på så sätt samla mer energi. Men det finns en gräns for hur stora system man kan göra innan man förlorar i effektivitet.
– Vi har visat att man ganska lätt kan samla in mycket energi. Nu vill vi prova att efterlikna en annan av naturens lösningar. Naturen använder flera steg av ljusinsamling och det extra steget gör att man kan göra större system utan att förlora effektivitet, säger Jakob Woller.
Resultaten publicerades den vetenskapliga tidskriften Journal of the American Chemical Society.