افزایش تبدیل انرژی خورشیدی به مواد شیمیایی با ساخت هتروجانکشن پلاسمونیک درون‌سلولی

پژوهشگران با توسعه یک سیستم زیستی-هیبریدی جدید، گام مهمی در زمینه تبدیل انرژی خورشیدی به مواد شیمیایی برداشته‌اند. این سیستم با ترکیب سلول‌های زنده و نیمه‌رساناهای معدنی، امکان استفاده مؤثرتر از نور خورشید و هدایت مستقیم الکترون‌های تولیدشده به مسیرهای متابولیکی سلول را فراهم می‌کند.

در این مطالعه، شیائومینگ ما (Xiaoming Ma) از دانشگاه هنان نرمال چین و همکارانش، یک هتروجانکشن پلاسمونیک S-scheme را درون سلول‌های مخمر غیر فتوسنتزی ایجاد کرده‌اند. این ساختار با استفاده از یک روش زیست‌القایی کانی‌سازی، به‌صورت درجا (in situ) در داخل سلول‌های مخمر ساخته شده است.

چالش سیستم‌های زیستی-هیبریدی در تبدیل انرژی خورشیدی

سیستم‌های زیستی-هیبریدی فتوسنتزی (Photosynthetic Biohybrid Systems) با ترکیب میکروارگانیسم‌ها و نیمه‌رساناهای معدنی، یکی از رویکردهای نوین برای تولید پایدار مواد شیمیایی با استفاده از انرژی خورشیدی هستند.

با این حال، این فناوری با دو محدودیت مهم مواجه است:

• محدوده نسبتاً محدود جذب نور
• جداسازی ناکارآمد الکترون‌ها و حفره‌های نوری

این محدودیت‌ها باعث می‌شوند بخش قابل‌توجهی از انرژی نور خورشید به واکنش‌های شیمیایی مفید تبدیل نشود. پژوهش جدید با طراحی یک هتروجانکشن CuS/CdS پلاسمونیک درون‌سلولی، هر دو مشکل را تا حد زیادی برطرف می‌کند.

ساخت هتروجانکشن CuS/CdS در داخل سلول مخمر

محققان برای ساخت این سیستم از راهبردی موسوم به کانی‌سازی زیست‌القایی (Biologically Induced Mineralization) استفاده کردند. به کمک این روش، نانوساختارهای CuS/CdS به‌صورت کنترل‌شده و درجا داخل سلول‌های مخمر غیر فتوسنتزی تشکیل شدند.

سیستم حاصل با عنوان CuS/CdS@Yeast شناخته می‌شود.

این ساختار از دو بخش اصلی تشکیل شده است:

• CuS: ایجادکننده اثر تشدید پلاسمون سطحی موضعی یا LSPR
• CdS: نیمه‌رسانایی که نقش مهمی در واکنش‌های احیایی و انتقال الکترون دارد

وجود CuS باعث می‌شود جذب نور سیستم به ناحیه فروسرخ نزدیک (NIR) نیز گسترش پیدا کند؛ بنابراین سیستم می‌تواند از بخش وسیع‌تری از طیف نور خورشید استفاده کند.

هتروجانکشن S-scheme چگونه عملکرد سیستم را افزایش می‌دهد؟

در محل تماس CuS و CdS، یک اختلاف قابل‌توجه در پتانسیل الکترواستاتیکی ایجاد می‌شود. این اختلاف به شکل‌گیری یک میدان الکتریکی داخلی در فصل مشترک دو نیمه‌رسانا منجر می‌شود. در نتیجه، انتقال بار مطابق مکانیزم S-scheme انجام می‌شود. در این فرایند، الکترون‌ها در نوار رسانش منفی‌تر CdS تجمع پیدا می‌کنند و می‌توانند در واکنش‌های احیایی شرکت کنند؛ در حالی که حفره‌ها در نوار ظرفیت CuS باقی مانده و در واکنش‌های اکسایشی مصرف می‌شوند.

این سازوکار باعث جداسازی مؤثرتر حامل‌های بار نوری و افزایش توان اکسایش-کاهش سیستم می‌شود.

ورود مستقیم الکترون‌های نوری به متابولیسم سلول

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های این پژوهش، تولید درون‌سلولی نیمه‌رسانا است. در سیستم‌های معمول زیستی-هیبریدی، انتقال الکترون از نیمه‌رسانا به سلول می‌تواند یک مرحله محدودکننده باشد. اما در CuS/CdS@Yeast، نیمه‌رسانا مستقیماً در داخل سلول قرار گرفته است. به این ترتیب، الکترون‌های تولیدشده در اثر تابش نور می‌توانند مستقیماً وارد شبکه انتقال الکترون و مسیرهای متابولیکی سلول شوند.

این فرایند باعث افزایش سطح دو مولکول مهم انرژی درون سلول، یعنی NADH و ATP می شود. NADH و ATP نقش مهمی در تأمین انرژی و قدرت احیایی موردنیاز برای فرایندهای زیستی و سنتز مواد شیمیایی دارند.

افزایش چشمگیر تولید آمونیاک و هیدروژن

نتایج آزمایش‌ها نشان داد که عملکرد سیستم CuS/CdS@Yeast در مقایسه با سلول‌های مخمر خالص به شکل قابل‌توجهی افزایش یافته است. تحت تابش طیف کامل نور، نرخ تولید آمونیاک به 93.94 μmol·g⁻¹·h⁻¹ رسید. همچنین میزان تولید هیدروژن 3803.47 μmol·g⁻¹ گزارش شد.

این ارقام به‌ترتیب تقریباً 13 برابر افزایش در تولید آمونیاک و 27 برابر افزایش در تولید هیدروژن نسبت به سلول‌های مخمر خالص را نشان می‌دهند. نکته مهم این است که این عملکرد بدون استفاده از عوامل فداشونده (Sacrificial Agents) به دست آمد.

تأیید تولید آمونیاک از طریق احیای نیتروژن

برای بررسی منشأ آمونیاک تولیدشده، پژوهشگران از آزمایش‌های برچسب‌گذاری ایزوتوپی با ¹⁵N₂ استفاده کردند. نتایج تأیید کرد که آمونیاک تولیدشده از فرایند احیای نیتروژن (Nitrogen Reduction) ناشی می‌شود.

این یافته اهمیت زیادی دارد؛ زیرا نشان می‌دهد سیستم زیستی-هیبریدی می‌تواند انرژی نور خورشید را برای انجام یک فرایند شیمیایی مهم، یعنی تبدیل نیتروژن به ترکیبات آمونیاکی، به کار گیرد.

عملکرد سیستم در نور فروسرخ نزدیک

یکی دیگر از نتایج مهم پژوهش، حفظ فعالیت فوتوکاتالیستی سیستم تحت تابش نور فروسرخ نزدیک با طول موج بیش از 800 نانومتر بود. این عملکرد به اثر تشدید پلاسمون سطحی موضعی (LSPR) مربوط می‌شود که توسط CuS ایجاد شده است. در نتیجه، CuS تنها یک جزء ساختاری ساده نیست، بلکه با افزایش محدوده جذب نور، امکان استفاده از بخش بیشتری از انرژی تابشی را برای سیستم فراهم می‌کند.

شواهد تجربی برای سازوکار انتقال الکترون

برای بررسی مسیر انتقال الکترون، محققان تنفس سلولی را با استفاده از روتنون (Rotenone) مهار کردند. پس از مهار تنفس سلولی، میزان فوتوجریان و بازده تثبیت نیتروژن تقریباً 50 درصد کاهش یافت. این نتیجه نشان می‌دهد که الکترون‌های تولیدشده توسط نیمه‌رسانا تنها در سطح نانوذرات باقی نمی‌مانند، بلکه از طریق زنجیره انتقال الکترون درون سلول منتقل شده و در فرایندهای متابولیکی مشارکت می‌کنند.

شناسایی واسطه‌های واکنش احیای نیتروژن

محققان با استفاده از طیف‌سنجی مادون قرمز بازتابی پخشی درجا (in situ DRIFTS) توانستند برخی از گونه‌های حدواسط مهم واکنش را شناسایی کنند.

از جمله سیگنال‌های مشاهده‌شده می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• پیوندهای N–H در حدودcm⁻¹ 2340
• نیتروژن جذب‌شده شیمیایی در حدود 1633 cm⁻¹
• حدواسط NH–NH در حدود 1430 cm⁻¹

این نتایج اطلاعاتی درباره مسیر مرحله‌به‌مرحله هیدروژناسیون و کاهش نیتروژن به آمونیاک ارائه می‌کنند.

افزایش تولید گونه‌های فعال اکسیژن

بررسی‌های طیف‌سنجی تشدید پارامغناطیسی الکترون (EPR) نیز افزایش سیگنال‌های مربوط به گونه‌های فعال، از جمله رادیکال‌های سوپراکسید و هیدروکسیل را نشان داد. افزایش این سیگنال‌ها بیانگر بهبود قابلیت‌های اکسایش و کاهش (Redox) در هتروجانکشن CuS/CdS است. بنابراین، میدان الکتریکی داخلی ایجادشده در فصل مشترک دو نیمه‌رسانا نه‌تنها جداسازی حامل‌های بار را بهبود می‌دهد، بلکه توانایی انجام واکنش‌های شیمیایی را نیز افزایش می‌دهد.

یک رویکرد سه‌گانه برای تولید پایدار مواد شیمیایی

مهم‌ترین دستاورد این پژوهش را می‌توان در ایجاد یک هم‌افزایی سه‌گانه خلاصه کرد:

1. برداشت نور در محدوده وسیع‌تر
اثر پلاسمونیک CuS باعث افزایش جذب نور و گسترش پاسخ نوری تا محدوده فروسرخ نزدیک می‌شود.

2. جداسازی مؤثر حامل‌های بار
هتروجانکشن S-scheme و میدان الکتریکی داخلی موجود در فصل مشترک CuS/CdS، جداسازی الکترون و حفره را بهبود می‌دهند.

3. هدایت مستقیم الکترون به متابولیسم سلولی
تولید درجا و درون‌سلولی نیمه‌رسانا امکان ورود مستقیم الکترون‌های نوری به شبکه انتقال الکترون و مسیرهای متابولیکی سلول را فراهم می‌کند.

چشم‌انداز این فناوری برای انرژی و زیست‌ساخت

این پژوهش نشان می‌دهد که ترکیب نانوفناوری، فوتوکاتالیز و زیست‌شناسی سلولی می‌تواند مسیر جدیدی برای طراحی سیستم‌های تولید مواد شیمیایی با استفاده از انرژی خورشید ایجاد کند. سیستم CuS/CdS@Yeast نمونه‌ای از یک رویکرد جدید است که در آن یک نیمه‌رسانای مهندسی‌شده مستقیماً با شبکه متابولیکی یک سلول زنده در ارتباط قرار می‌گیرد.

افزایش تولید هیدروژن و آمونیاک، عملکرد در نور فروسرخ و امکان هدایت مستقیم الکترون به متابولیسم سلولی، این فناوری را به گزینه‌ای امیدوارکننده برای تولید پایدار سوخت، مواد شیمیایی و زیست‌محصولات تبدیل می‌کند.

به‌طور کلی، این مطالعه نشان می‌دهد که کانی‌سازی زیستی درجا برای ساخت هتروجانکشن‌های نیمه‌رسانا درون سلول می‌تواند به‌عنوان یک راهبرد قدرتمند برای بازطراحی عملکرد سلول‌ها و توسعه نسل جدید سیستم‌های زیستی-هیبریدی خورشیدی مورد استفاده قرار گیرد.

نتیجه‌گیری

توسعه سیستم CuS/CdS@Yeast نشان می‌دهد که ترکیب نیمه‌رساناهای پلاسمونیک با شبکه متابولیکی سلول‌های زنده می‌تواند راهکاری مؤثر برای بهبود تبدیل انرژی خورشیدی به مواد شیمیایی باشد. هتروجانکشن S-scheme با افزایش جذب نور، جداسازی مؤثر حامل‌های بار و انتقال مستقیم الکترون به مسیرهای متابولیکی، موجب افزایش چشمگیر تولید آمونیاک و هیدروژن شده است. این دستاورد می‌تواند زمینه‌ساز توسعه نسل جدید سیستم‌های زیستی-هیبریدی برای تولید پایدار سوخت، مواد شیمیایی و زیست‌محصولات با استفاده از انرژی خورشیدی باشد.