0
2891
Газета НГ-Энергия Интернет-версия

14.08.2007 00:00:00

Ансамбль биомолекул – нанобатарейка

Михаил Сидоров

Об авторе: Михаил Александрович Сидоров - специалист в области энергетики, биоэнергетики и наноэнергетики.

Тэги: нанотехнологии, батарейки


нанотехнологии, батарейки Возможно, в ближайшем будущем громоздкие аккумуляторы уступят место крошечным биобатарейкам.
Фото Александра Шалгина (НГ-фото)

Производители ноутбуков, сотовых телефонов и других мультимедийных устройств жалуются: «Батарейки у них очень громоздкие и тяжелые». Конструкторы же нанороботов мечтают о микро- и нанобатарейках. Наноинженеры вообще мечтают о том, чтобы их детища обходились вовсе без батареек, добывая энергию непосредственно из окружающей среды.

Так же, как, например, поступают живые клетки растений и животных, которые не на уровне высоких температур, как на тепловых и атомных станциях, а на низком, биологическом уровне, но с очень высоким кпд, преобразуют поступающую извне, возобновляемую (солнечную или тепловую) энергию окружающей среды в необходимый им для жизнедеятельности электрический ток. Раскрытие механизма такой биогенерации электроэнергии – одна из главных в настоящее время фундаментальных и прикладных проблем биоэнергетики и биологии.

Все участвующие в генерации электроэнергии белковые комплексы живых клеток наноразмерные – их диаметр 10–100 нанометров. Поэтому правомерен новый нанофизический подход к исследованию процесса генерации электроэнергии нанобиоструктурами митохондрий животных клеток. На его основе мною были впервые разработаны и опубликованы нанобиофизическая (2002 год), а на ее основе – математическая и нанофизическая (2004 год) модели механизма этого процесса, который обеспечивает эффективный и направленный перенос (движение) электронов нанобиоструктурами клеток.

В основе нанобиофизической модели – представления о генерирующих электрический ток структурах клетки как о проводящих (переносящих) электроны молекулярных наноструктурах (кластерах), замкнутых на нанобиомембраны (аккумуляторы энергии), в которые встроены асимметричные потенциальные, энергетические нанобарьеры (периодический нанобарьер). Как показывают эксперименты, именно на этих нанобарьерах, встроенных в проводящие нанобиоструктуры цепи транспорта электронов, происходит разделение зарядов («+» и «–»), их накопление (концентрация), а затем перенос электронами энергии без каких-либо потерь, то есть с высокой квантовой и энергетической эффективностью. Поэтому такие белковые наноструктуры рассматриваются в качестве прообраза новых систем наноэнергетики.

Только нанофизические знания о свойствах твердотельных (наноэлектроника) и мягких (молекулярная электроника) наноструктур позволяют, опираясь также на волновую механику или новую статистическую физику, создать на основе нанобиофизической математическую и нанофизическую модели процесса биогенерации электроэнергии.

Используя наноструктуры с различными физическими свойствами (например, проводящие или полупроводниковые нанотрубки), предлагается сконструировать замкнутую схему из элементов наноэлектроники или молекулярной электроники, воспроизводящую в основе своей процесс биогенерации электроэнергии живой клеткой.

Для разделения зарядов на асимметричных нанобарьерах схемы используются: волновые свойства электронов и их способность к туннелированию на нанобарьерах (описывается уравнением Шредингера) или же флуктуации тепловых колебаний атомов и их электронов, в результате чего возрастает вероятность (определяется с помощью уравнения Цивинского-Больцмана) получения ими дополнительной энергии (возбуждения) для преодоления все тех же нанобарьеров. В результате за счет тепловой энергии окружающей среды обычное хаотическое движение электронов в моделирующих биогенерацию электроэнергии наноструктурах предлагаемой схемы наноэлектроники (или молекулярной электроники) преобразуется в однонаправленное – в электрический ток. При отсутствии рабочей нагрузки такой наногенератор электроэнергии будет работать на зарядку встроенного в схему наноаккумулятора.

Из подобных нанобатарей, как из кубиков, можно будет собирать источники электроэнергии требуемой мощности и использовать их не только в сотовых телефонах, ноутбуках и других мультимедийных устройствах, но и, возможно, в будущем для освещения и отопления квартир и домов.

Перспективность этих теоретических и прикладных научных разработок приходится, к сожалению, оценивать, используя экспериментальные данные исследований зарубежных наноэнергетиков. Например, в Реховоте (Израиль) в Институте Вейцмана под руководством профессора Эхуда Шапиро создан и запатентован нанокомпьютер, энергию для работы которого поставляет схема из молекулярной электроники, состоящей из ДНК, РНК и некоторых биомолекул – ферментов. Профессор Лозаннского технологического университета (Швейцария) Михаэль Гретцель создал «элемент Гретцеля» – нанобатарейку, преобразующую солнечный свет в электроэнергию.

У нас же Федеральная целевая программа развития нанотехнологий только создается, отсутствуют финансирование и необходимые для исследований приборы и оборудование. Мы заложили основы наноэнергетики, моделирующей биоэнергетику животной клетки. Для получения же конкретных результатов потребуются годы исследовательской работы многих ученых. Мы только в самом начале пути, но я не сомневаюсь, что этот путь приведет к успеху новых решений в наноэнергетике.


Комментарии для элемента не найдены.

Читайте также


Исполнение законов за решеткой зависит от тюремной инструкции

Исполнение законов за решеткой зависит от тюремной инструкции

Екатерина Трифонова

Заключенных будут по возможности отпускать на волю для платного лечения

0
797
Россия стала главным инвестиционным донором Евразийского экономического союза

Россия стала главным инвестиционным донором Евразийского экономического союза

Ольга Соловьева

Санкционное давление Запада изменило направление капвложений в ближнем зарубежье

0
937
Перед выборами коммунисты вспоминают об опыте большевиков

Перед выборами коммунисты вспоминают об опыте большевиков

Дарья Гармоненко

Партия интернационалистов разыгрывает этническую карту в ряде протестных регионов

0
764
Россия вписалась в глобальную тенденцию дефицита учителей

Россия вписалась в глобальную тенденцию дефицита учителей

Анастасия Башкатова

Цифровизация парадоксальным образом увеличила нагрузку на педагогов

0
905

Другие новости