eng
По мере развития естествознания результаты фундаментальных исследований генерации электротока молекулярными структурами мембран митохондрий клеток представляют все больший интерес для поиска новых нанотехнологических путей развития электроэнергетики. Подобные нанотехнологии и реализующие их автономные, особо эффективные и безопасные портативные энергетические устройства, возможно, вытеснят традиционные химические батарейки и аккумуляторы.
DOI:10.22184/1993-8578.2016.65.3.98.105
DOI:10.22184/1993-8578.2016.65.3.98.105
Клетка животных и человека – открытая к окружающей среде система, которая генерирует электроэнергию не за счет потенциалов высоких температур, как на тепловых и атомных электростанциях, а на низком, биологическом уровне, однако, с очень высоким КПД, близким к 100%. То, что природа сотворила, скопировать нельзя, однако можно вдохновиться ею и попытаться создать модель процессов биоэнергетики живой клетки.
Биоэнергетика: новые подходы
Традиционно процессы биогенерации электроэнергии в мембранах митохондрий клеток животных и человека объясняются большинством исследователей в рамках электрохимической теории Митчела как сочетание "темнового" процесса "дыхания" и переноса электронов в электронно-транспортной цепи (ЭТЦ) с образованием аденозинтрифосфата (АТФ) [1]. В ходе поиска новой модели этой биогенерации автором были впервые разработаны и использованы междисциплинарные (на стыке биофизики, биоэнергетики и нанотехнологии) подходы к теоретическим и прикладным исследованиям механизма генерации электроэнергии наноструктурами внутренних мембран митохондрий клеток животных и человека [2].
Исследования показывают, что клетки растений аккумулируют не только световую, но и тепловую энергию. Это явление было обнаружено в лаборатории фотобионики Института химической физики им. Н.Н.Семенова РАН при изучении механизма генерации электротока в пленках фотосинтетических пигментов и их аналогов. Когда света много, зеленый лист отдает тепловую энергию окружающей среде, а когда света мало, он работает при фотосинтезе как тепловой насос: перекачивает и использует для нужд своей биоэнергетики возобновляемую солнцем, рассеянную в окружающей среде низкопотенциальную тепловую энергию [3].
Известная универсальность процесса биогенерации электроэнергии белковыми ферментами клеток всего живого – от растений до человека [4] – позволяет предположить, что и клетка животного и человека в ходе "темнового" (когда света нет или мало) процесса биогенерации электроэнергии также аккумулирует тепловую энергию окружающей среды [5].
Поскольку наноструктуры – это естественный уровень организации живого и неживого, мы можем видеть точку конвергенции, в которой молекулярная биология предоставляет свои идеи и компоненты, а нанотехнология обеспечивает новые инструменты и методы для исследования и моделирования фундаментальных процессов клеточной биологии. Такой синтез знаний и методов необходим в том числе для создания новой модели механизма биогенерации электроэнергии, характеризующейся высокой квантовой и энергетической эффективностью [6]. Подобная модель также могла бы быть использована в новых энергетических нанотехнологиях.
Раскрытие механизма такой нанобиогенерации, его моделирование, возможно, позволит научиться у действующей в масштабах нанометров живой природы, как следует быстро, безопасно, эффективно и автономно получать электроэнергию.
Нанобиофизическая модель
Все участвующие в биогенерации электроэнергии белковые комплексы внутренних мембран митохондрий имеют размер от 10 до 100 нм. Это означает, что исследования свойств такого молекулярного комплекса (наноструктуры) дыхательной ЭТЦ, замкнутого на сопряженную мембрану (также наноструктуру), и реализуемого ими механизма биогенерации электроэнергии должны опираться на знания и методы нанонауки, прежде всего, нанобиофизики и нанобиоэнергетики.
Данные исследований отечественных и зарубежных биохимиков показывают, что ЭТЦ включает три главных наноразмерных белковых комплекса [4], которые отделены друг от друга асимметричными (с разделенными зарядами) потенциальными энергетическими наноразмерными барьерами. В наноструктурах этих комплексов имеются и другие нанобарьеры с меньшей разницей потенциалов между разделенными зарядами. По сути ЭТЦ – это периодический нанобарьер, встроенный в проводящие электроны белковой наноструктуры.
В нанопроводнике электроны проводимости обычно находятся в состоянии непрерывного хаотического движения, обладая волновыми свойствами и определенными скоростями (энергиями), характерными для химической природы атомов данного материала. В процессе переноса электронов в наноструктурах внутренних мембран митохондрий, в результате разделения зарядов возникает разница электрических потенциалов на асимметричных нанобарьерах. Электрический ток в ЭТЦ способствует разделению зарядов также и на отдельной, сопряженной мембране (еще одном асимметричном нанобарьере), преобразующей концентрирующуюся электрическую энергию в химическую, которая запасается в молекуле АТФ, что обеспечивает синтез необходимых клетке белков. Таким образом, в замкнутой на сопряженную мембрану (наноконденсатор электроэнергии) ЭТЦ с помощью проводящих наноструктурных белковых комплексов и встроенных в них асимметричных нанобарьеров идет преобразование хаотического движения электронов проводимости в однонаправленное – электрический ток.
Математическая модель нанобиофизического механизма генерации электроэнергии в результате разделения зарядов на ассиметричных нанобарьерах ЭТЦ создана на основе решения уравнения Шредингера, данного Вентцелем, Крамерсом и Бриллуэном [7]. Расчеты на основе этой математической модели показали, что на встроенном в замкнутый нанопроводник асимметричном нанобарьере соответствующей формы можно получить разность электрических потенциалов, обусловленных самопроизвольно создаваемым на нанобарьере дополнительным электрическим полем.
Таким образом, преимущественно однонаправленное самопроизвольное движение электронов проводимости, обладающих всегда вполне определенными значениями энергий, происходит только тогда, когда к нанобарьеру приложена дополнительная разность потенциалов. Она, с одной стороны, повышает скорость движения электронов и, тем самым, увеличивает длину их свободного пробега в нанопроводнике, с другой стороны, уменьшает высоту потенциального нанобарьера, делая его более прозрачным для электронов.
Так как электроны проводимости в нанопроводнике всегда находятся в состоянии непрерывного движения, обладая волновыми свойствами и определенными скоростями (энергиями), то внешнего воздействия для возбуждения асимметричного нанобарьера не требуется. В замкнутом нанопроводнике такие нанобарьеры будут всегда находиться в состоянии спонтанного возбуждения, и вся система будет стремиться к своему наивероятнейшему состоянию – однонаправленному движению электронов. Однако, если ширина нанобарьера будет несоизмеримо велика по отношению к длине свободного пробега электронов, то данный эффект не проявится [7].
Нанобиоэнергетическая модель механизма генерации электроэнергии объясняет использование системой тепла окружающей среды тем, что электрон, встретив на своем пути асимметричный, потенциальный нанобарьер, теряет часть своей энергии (скорости) на преодоление его верхнего уровня. При этом, образно говоря, скатываясь с более низкого уровня, он приобретает ее значительно меньше. Однако, оказавшись за нанобарьером в том же нанопроводнике, электрон неминуемо, в силу своей химической природы, должен будет увеличить свою энергию (скорость) до прежнего значения, что может произойти только за счет поглощения необходимого количества энергии путем многократного взаимодействия с другими атомами и электронами нанопроводника, которые, в свою очередь, пополнят ее, видимо, за счет тепловой энергии окружающей среды [7]. Никакого нарушения закона сохранения энергии здесь нет: сколько было взято тепловой энергии из окружающей среды, ровно столько же ее выделится в активных потребителях генерируемой электроэнергии.
Таким образом, на основе принципа "асимметричного нанобарьера" и новой нанобиофизической модели механизма генерации электроэнергии клетками животных и человека разработана теория управления движением зарядов в замкнутой нанопроводящей цепи с совершенной монокристаллической структурой (большой длиной пробега электронов) и со встроенными в нее асимметричными, потенциальными энергетическими нанобарьерами. Эта теория может быть использована при разработке новых, безопасных и особо эффективных нанотехнологий для генераторов электроэнергии.
Расчеты на основе этой математической модели показали, что для одной из простейших форм нанобарьера при кинетической энергии электрона 4 эВ и высоте нанобарьера 2 эВ создаваемое на нем напряжение составит около 0,1 В [7]. Если же в замкнутом нанопроводнике создать n нанобарьеров, то напряжение на каждом последующем будет возрастать. Результат может быть увеличен в несколько раз, если ограничивать число степеней свободы движущихся электронов. Главные условия для этого – максимальное уменьшение ширины нанобарьеров и минимальная, до размеров атома, толщина нанопроводников, что наблюдается, например, у двумерных кристаллов. Возможное объяснение описанных явлений на основе теории Дирака, предполагающей электроны с отрицательным состоянием энергии, не меняет основных выводов, но может повлиять на их математическое оформление [7].
Таким образом, раскрытие нанобиофизической природы механизма генерации электроэнергии клетками животных и человека, его моделирование на основе наноструктур, в том числе обладающих монокристаллической структурой двумерных кристаллов, возможно, позволит научиться безопасно и эффективно получать электроэнергию.
Нанотехнология для электроэнергетики
Реализация нанотехнологии в электроэнергетике требует создания нанопроводника с максимальным уменьшением его поперечного сечения, вплоть до размеров атома, и с монокристаллической структурой, обеспечивающей наибольшую длину свободного пробега электронов, а также разработки современных методов получения асимметричных, потенциальных энергетических нанобарьеров – наногетероструктур.
В качестве токонесущего элемента – нанопроводника – возможно использование нанотрубок или двумерного кристалла графена. Исследователи Технологического института (штат Джорджия, США) и компании DuPont создали полосы графена в виде "складок" шириною до 20 нм с полупроводниковыми свойствами. Электронные свойства полученного материала измеряли, облучая его на синхротронной установке. Выяснилось, что складывание графена на подложке создает в нем характерную для полупроводников запрещенную зону, превращая его в полупроводник. В тех же областях, где поверхность была плоской, графен сохранял свойства хорошего проводника. Таким образом, управляя формой поверхности, можно получать на одном листе графена как металлические, так и полупроводниковые зоны, что, возможно, позволит создать полностью углеродные микрочипы.
В двухслойном графене барьеры полностью непрозрачны для носителей зарядов, причем, если между двумя слоями графена создать разность потенциалов, то в энергетическом спектре также появляется "щель", размерами которой можно легко управлять, в том числе локально [8].
Общий принцип создания асимметричных нанобарьеров – сочетание химически разнородных атомов или двумерных монокристаллов, энергетические уровни внешних электронов которых отличаются на значительную величину. И, конечно, чем меньше будет абсолютное число электронов в данном нанопроводнике, тем больше будет асимметрия в их движении [7]. В пределе она будет стопроцентной, если в проводнике будет двигаться только один электрон (одноэлектронный графеновый транзистор). Особое значение асимметричного нанобарьера состоит в том, что он обеспечивает преимущественное движение электронов в замкнутой электрической цепи. Ширина таких нанобарьеров должна быть соизмерима с длиной пути свободного пробега электронов, порядка 10–6 см (в монокристаллах она может быть около 10–4 см), а их высота – соответствовать малой величине запорного напряжения.
Группа А.Гейма из Манчестерского университета, создавшая графен и его модификации, разработала новые методы изготовления наногетероструктур. Для получения трехмерных кристаллов – наногетероструктур с самыми разнообразными свойствами – предлагается использовать химические модификации графена: диэлектрики графан и флюрографен, двумерные кристаллы нитрида бора, полупроводникового фосфора [9] и других химических элементов, располагая их монослои один над другим. Гетероструктура была получена, например, в результате инкапсуляции графена между двумя кристаллитами нитрида бора, что также защищает его от воздействия окружающей среды [10]. Из подобных гетероструктур можно будет создавать прототипы асимметричных энергетических нанобарьеров.
В лаборатории А.Гейма под руководством Р.Горбачева в среде инертного газа получены стабильные в воздухе, располагающиеся слоями, 2D-материалы. Блоки из подобных стабильных 2D-кристаллов будут служить, по мнению исследователей, стандартными гетероструктурами для различных устройств, в том числе, возможно, и легких батарей для мобильного аккумулирования энергии [11]. В дополнение к этим элементам во Франции изготовлены асимметричный нанобарьер (молекула) и наноамперметр [12]. Исследования по созданию наноаккумуляторов (суперконденсаторов) идут в нескольких развитых странах мира.
Таким образом, нами рассмотрены нанобиофизическая модель механизма биогенерации электроэнергии, теория управления движением зарядов (электронов) в замкнутой нанопроводящей цепи, а на их основе – нанотехнология для новой электроэнергетики. Уже разработаны или создаются двумерные кристаллы и другие наноструктуры, которые могут стать основой для реализующей эту нанотехнологию экспериментальной схемы принципиально нового, дружественного природе и особо эффективного автономного энергетического устройства – наноэлектрогенератора iEnergyNano.
Модели искусственных аналогов биоэнергетики живых клеток пытаются создать и за рубежом. Швейцарский ученый, профессор М.Гретцель предложил наноустройство – "элемент Гретцеля", который так же с помощью разделения зарядов на наноструктуре (подобно методу асимметричного энергетического нанобарьера) моделирует преобразование растительной клеткой солнечного света в электричество [13]. В Национальном институте стандартов и технологий NIST (США) разработана модель искусственного аналога электрической клетки угря [14]. Это подтверждает перспективность осуществляемой нами разработки экспериментальной схемы наноэлектрогенератора iEnergyNano, моделирующей нанобиоэнергетику живой клетки. Такая схема состоит из нанопроводника, периодического нанобарьера, наноамперметра и замкнута на наноаккумулятор (суперконденсатор), который при отсутствии активной нагрузки будет аккумулировать и сохранять генерируемую электроэнергию.
Перспективы
На базе наноэлектрогенераторов iEnergyNano могут создаваться чипы, при параллельном соединении которых будет формироваться схема портативной электробатареи iEnеrgy. При суммировании величин рабочих токов ее мощности будет достаточно для использования вместо химических батареек и аккумуляторов в сотовых телефонах, ноутбуках и других мультимедийных устройствах, а в будущем, возможно, и в электромобилях и домашних электростанциях.
Таким образом, представляется вполне возможным создание принципиально нового, подобно живой клетке использующего тепло окружающей среды, долго и непрерывно работающего, особо эффективного и дружественного природе поколения устройств наноэнергетики – автономных, портативных, сравнительно легких и дешевых электробатарей iEnеrgy, которые могут стать частью альтернативной системы автономной, распределенной энергетики.
Литература
1.Виноградов А.Д. Биохимия. – М., 2001. Т. 66. Вып. 10. С. 1346.
2.Сидоров М.А. О механизме генерации электротока живой клеткой. – М.: Спутник+, 2002.
3.Комиссаров Г.Г. Фотосинтез: физико-химический подход / 2-е изд., стереот. – М., 2006.
4.Скулачев В.П. Энергетика биологических мембран. – М.: Наука, 1989.
5.Рубин А.Б. Биофизика. – М., 2000. Т. 1.
С. 372–373.
6.Скулачев В.П., Шувалов В.А. Фотосинтез и молекулярная энергетика // Вестник РАН. 2006. Т. 76. № 5. С. 437–443.
7.Ощепков П.К. Избранное. ФГБОУ ВПО "Ижевский государственный технический университет", 2014. С. 260–266.
8.Bostwicket A. at al. New J. Phys. 9, 385 (2007).
9.Liu Y., Xu F., Zhang Z., Penev E.S., Yakobson B.I. Two-Dimensional Monoelemental Semiconductor with Electronically Inactive Defects: The Case of Phosphorus. Nano Letters, 2014.
10.Морозов С.В. УФН 182 437-439 (2012).
11.Cao Y., Mishchenko A., Yu G.L., Khestanova K., Rooney A., Prestat E., Kretinin A.V., Blake P., Shalom M.B., Balakrishnan G., Grigorieva I.V., Novoselov K.S., Piot B.A., Potemski M., Watanabe K., Taniguchi T., Haigh S.J., Geim A.K., Gorbachev R.V. Quality heterostructures from two dimensional crystals unstable in air by their assembly in inert atmosphere. Nano Letters, 2015.
12.Жоаким К., Плевер Л. Нанонауки. Невидимая революция. – М.: КоЛибри, 2009. 240 с.
13.Ратнер М., Ратнер Д. Нанотехнология. – М.: Изд.дом "Вильямс", 2004. С. 94.
14.Xu J. and Lavan David A. Designing artificial cells to harness the biological ion concentration gradient. Nature Nanotechnology 3, 666–670(2008).
Биоэнергетика: новые подходы
Традиционно процессы биогенерации электроэнергии в мембранах митохондрий клеток животных и человека объясняются большинством исследователей в рамках электрохимической теории Митчела как сочетание "темнового" процесса "дыхания" и переноса электронов в электронно-транспортной цепи (ЭТЦ) с образованием аденозинтрифосфата (АТФ) [1]. В ходе поиска новой модели этой биогенерации автором были впервые разработаны и использованы междисциплинарные (на стыке биофизики, биоэнергетики и нанотехнологии) подходы к теоретическим и прикладным исследованиям механизма генерации электроэнергии наноструктурами внутренних мембран митохондрий клеток животных и человека [2].
Исследования показывают, что клетки растений аккумулируют не только световую, но и тепловую энергию. Это явление было обнаружено в лаборатории фотобионики Института химической физики им. Н.Н.Семенова РАН при изучении механизма генерации электротока в пленках фотосинтетических пигментов и их аналогов. Когда света много, зеленый лист отдает тепловую энергию окружающей среде, а когда света мало, он работает при фотосинтезе как тепловой насос: перекачивает и использует для нужд своей биоэнергетики возобновляемую солнцем, рассеянную в окружающей среде низкопотенциальную тепловую энергию [3].
Известная универсальность процесса биогенерации электроэнергии белковыми ферментами клеток всего живого – от растений до человека [4] – позволяет предположить, что и клетка животного и человека в ходе "темнового" (когда света нет или мало) процесса биогенерации электроэнергии также аккумулирует тепловую энергию окружающей среды [5].
Поскольку наноструктуры – это естественный уровень организации живого и неживого, мы можем видеть точку конвергенции, в которой молекулярная биология предоставляет свои идеи и компоненты, а нанотехнология обеспечивает новые инструменты и методы для исследования и моделирования фундаментальных процессов клеточной биологии. Такой синтез знаний и методов необходим в том числе для создания новой модели механизма биогенерации электроэнергии, характеризующейся высокой квантовой и энергетической эффективностью [6]. Подобная модель также могла бы быть использована в новых энергетических нанотехнологиях.
Раскрытие механизма такой нанобиогенерации, его моделирование, возможно, позволит научиться у действующей в масштабах нанометров живой природы, как следует быстро, безопасно, эффективно и автономно получать электроэнергию.
Нанобиофизическая модель
Все участвующие в биогенерации электроэнергии белковые комплексы внутренних мембран митохондрий имеют размер от 10 до 100 нм. Это означает, что исследования свойств такого молекулярного комплекса (наноструктуры) дыхательной ЭТЦ, замкнутого на сопряженную мембрану (также наноструктуру), и реализуемого ими механизма биогенерации электроэнергии должны опираться на знания и методы нанонауки, прежде всего, нанобиофизики и нанобиоэнергетики.
Данные исследований отечественных и зарубежных биохимиков показывают, что ЭТЦ включает три главных наноразмерных белковых комплекса [4], которые отделены друг от друга асимметричными (с разделенными зарядами) потенциальными энергетическими наноразмерными барьерами. В наноструктурах этих комплексов имеются и другие нанобарьеры с меньшей разницей потенциалов между разделенными зарядами. По сути ЭТЦ – это периодический нанобарьер, встроенный в проводящие электроны белковой наноструктуры.
В нанопроводнике электроны проводимости обычно находятся в состоянии непрерывного хаотического движения, обладая волновыми свойствами и определенными скоростями (энергиями), характерными для химической природы атомов данного материала. В процессе переноса электронов в наноструктурах внутренних мембран митохондрий, в результате разделения зарядов возникает разница электрических потенциалов на асимметричных нанобарьерах. Электрический ток в ЭТЦ способствует разделению зарядов также и на отдельной, сопряженной мембране (еще одном асимметричном нанобарьере), преобразующей концентрирующуюся электрическую энергию в химическую, которая запасается в молекуле АТФ, что обеспечивает синтез необходимых клетке белков. Таким образом, в замкнутой на сопряженную мембрану (наноконденсатор электроэнергии) ЭТЦ с помощью проводящих наноструктурных белковых комплексов и встроенных в них асимметричных нанобарьеров идет преобразование хаотического движения электронов проводимости в однонаправленное – электрический ток.
Математическая модель нанобиофизического механизма генерации электроэнергии в результате разделения зарядов на ассиметричных нанобарьерах ЭТЦ создана на основе решения уравнения Шредингера, данного Вентцелем, Крамерсом и Бриллуэном [7]. Расчеты на основе этой математической модели показали, что на встроенном в замкнутый нанопроводник асимметричном нанобарьере соответствующей формы можно получить разность электрических потенциалов, обусловленных самопроизвольно создаваемым на нанобарьере дополнительным электрическим полем.
Таким образом, преимущественно однонаправленное самопроизвольное движение электронов проводимости, обладающих всегда вполне определенными значениями энергий, происходит только тогда, когда к нанобарьеру приложена дополнительная разность потенциалов. Она, с одной стороны, повышает скорость движения электронов и, тем самым, увеличивает длину их свободного пробега в нанопроводнике, с другой стороны, уменьшает высоту потенциального нанобарьера, делая его более прозрачным для электронов.
Так как электроны проводимости в нанопроводнике всегда находятся в состоянии непрерывного движения, обладая волновыми свойствами и определенными скоростями (энергиями), то внешнего воздействия для возбуждения асимметричного нанобарьера не требуется. В замкнутом нанопроводнике такие нанобарьеры будут всегда находиться в состоянии спонтанного возбуждения, и вся система будет стремиться к своему наивероятнейшему состоянию – однонаправленному движению электронов. Однако, если ширина нанобарьера будет несоизмеримо велика по отношению к длине свободного пробега электронов, то данный эффект не проявится [7].
Нанобиоэнергетическая модель механизма генерации электроэнергии объясняет использование системой тепла окружающей среды тем, что электрон, встретив на своем пути асимметричный, потенциальный нанобарьер, теряет часть своей энергии (скорости) на преодоление его верхнего уровня. При этом, образно говоря, скатываясь с более низкого уровня, он приобретает ее значительно меньше. Однако, оказавшись за нанобарьером в том же нанопроводнике, электрон неминуемо, в силу своей химической природы, должен будет увеличить свою энергию (скорость) до прежнего значения, что может произойти только за счет поглощения необходимого количества энергии путем многократного взаимодействия с другими атомами и электронами нанопроводника, которые, в свою очередь, пополнят ее, видимо, за счет тепловой энергии окружающей среды [7]. Никакого нарушения закона сохранения энергии здесь нет: сколько было взято тепловой энергии из окружающей среды, ровно столько же ее выделится в активных потребителях генерируемой электроэнергии.
Таким образом, на основе принципа "асимметричного нанобарьера" и новой нанобиофизической модели механизма генерации электроэнергии клетками животных и человека разработана теория управления движением зарядов в замкнутой нанопроводящей цепи с совершенной монокристаллической структурой (большой длиной пробега электронов) и со встроенными в нее асимметричными, потенциальными энергетическими нанобарьерами. Эта теория может быть использована при разработке новых, безопасных и особо эффективных нанотехнологий для генераторов электроэнергии.
Расчеты на основе этой математической модели показали, что для одной из простейших форм нанобарьера при кинетической энергии электрона 4 эВ и высоте нанобарьера 2 эВ создаваемое на нем напряжение составит около 0,1 В [7]. Если же в замкнутом нанопроводнике создать n нанобарьеров, то напряжение на каждом последующем будет возрастать. Результат может быть увеличен в несколько раз, если ограничивать число степеней свободы движущихся электронов. Главные условия для этого – максимальное уменьшение ширины нанобарьеров и минимальная, до размеров атома, толщина нанопроводников, что наблюдается, например, у двумерных кристаллов. Возможное объяснение описанных явлений на основе теории Дирака, предполагающей электроны с отрицательным состоянием энергии, не меняет основных выводов, но может повлиять на их математическое оформление [7].
Таким образом, раскрытие нанобиофизической природы механизма генерации электроэнергии клетками животных и человека, его моделирование на основе наноструктур, в том числе обладающих монокристаллической структурой двумерных кристаллов, возможно, позволит научиться безопасно и эффективно получать электроэнергию.
Нанотехнология для электроэнергетики
Реализация нанотехнологии в электроэнергетике требует создания нанопроводника с максимальным уменьшением его поперечного сечения, вплоть до размеров атома, и с монокристаллической структурой, обеспечивающей наибольшую длину свободного пробега электронов, а также разработки современных методов получения асимметричных, потенциальных энергетических нанобарьеров – наногетероструктур.
В качестве токонесущего элемента – нанопроводника – возможно использование нанотрубок или двумерного кристалла графена. Исследователи Технологического института (штат Джорджия, США) и компании DuPont создали полосы графена в виде "складок" шириною до 20 нм с полупроводниковыми свойствами. Электронные свойства полученного материала измеряли, облучая его на синхротронной установке. Выяснилось, что складывание графена на подложке создает в нем характерную для полупроводников запрещенную зону, превращая его в полупроводник. В тех же областях, где поверхность была плоской, графен сохранял свойства хорошего проводника. Таким образом, управляя формой поверхности, можно получать на одном листе графена как металлические, так и полупроводниковые зоны, что, возможно, позволит создать полностью углеродные микрочипы.
В двухслойном графене барьеры полностью непрозрачны для носителей зарядов, причем, если между двумя слоями графена создать разность потенциалов, то в энергетическом спектре также появляется "щель", размерами которой можно легко управлять, в том числе локально [8].
Общий принцип создания асимметричных нанобарьеров – сочетание химически разнородных атомов или двумерных монокристаллов, энергетические уровни внешних электронов которых отличаются на значительную величину. И, конечно, чем меньше будет абсолютное число электронов в данном нанопроводнике, тем больше будет асимметрия в их движении [7]. В пределе она будет стопроцентной, если в проводнике будет двигаться только один электрон (одноэлектронный графеновый транзистор). Особое значение асимметричного нанобарьера состоит в том, что он обеспечивает преимущественное движение электронов в замкнутой электрической цепи. Ширина таких нанобарьеров должна быть соизмерима с длиной пути свободного пробега электронов, порядка 10–6 см (в монокристаллах она может быть около 10–4 см), а их высота – соответствовать малой величине запорного напряжения.
Группа А.Гейма из Манчестерского университета, создавшая графен и его модификации, разработала новые методы изготовления наногетероструктур. Для получения трехмерных кристаллов – наногетероструктур с самыми разнообразными свойствами – предлагается использовать химические модификации графена: диэлектрики графан и флюрографен, двумерные кристаллы нитрида бора, полупроводникового фосфора [9] и других химических элементов, располагая их монослои один над другим. Гетероструктура была получена, например, в результате инкапсуляции графена между двумя кристаллитами нитрида бора, что также защищает его от воздействия окружающей среды [10]. Из подобных гетероструктур можно будет создавать прототипы асимметричных энергетических нанобарьеров.
В лаборатории А.Гейма под руководством Р.Горбачева в среде инертного газа получены стабильные в воздухе, располагающиеся слоями, 2D-материалы. Блоки из подобных стабильных 2D-кристаллов будут служить, по мнению исследователей, стандартными гетероструктурами для различных устройств, в том числе, возможно, и легких батарей для мобильного аккумулирования энергии [11]. В дополнение к этим элементам во Франции изготовлены асимметричный нанобарьер (молекула) и наноамперметр [12]. Исследования по созданию наноаккумуляторов (суперконденсаторов) идут в нескольких развитых странах мира.
Таким образом, нами рассмотрены нанобиофизическая модель механизма биогенерации электроэнергии, теория управления движением зарядов (электронов) в замкнутой нанопроводящей цепи, а на их основе – нанотехнология для новой электроэнергетики. Уже разработаны или создаются двумерные кристаллы и другие наноструктуры, которые могут стать основой для реализующей эту нанотехнологию экспериментальной схемы принципиально нового, дружественного природе и особо эффективного автономного энергетического устройства – наноэлектрогенератора iEnergyNano.
Модели искусственных аналогов биоэнергетики живых клеток пытаются создать и за рубежом. Швейцарский ученый, профессор М.Гретцель предложил наноустройство – "элемент Гретцеля", который так же с помощью разделения зарядов на наноструктуре (подобно методу асимметричного энергетического нанобарьера) моделирует преобразование растительной клеткой солнечного света в электричество [13]. В Национальном институте стандартов и технологий NIST (США) разработана модель искусственного аналога электрической клетки угря [14]. Это подтверждает перспективность осуществляемой нами разработки экспериментальной схемы наноэлектрогенератора iEnergyNano, моделирующей нанобиоэнергетику живой клетки. Такая схема состоит из нанопроводника, периодического нанобарьера, наноамперметра и замкнута на наноаккумулятор (суперконденсатор), который при отсутствии активной нагрузки будет аккумулировать и сохранять генерируемую электроэнергию.
Перспективы
На базе наноэлектрогенераторов iEnergyNano могут создаваться чипы, при параллельном соединении которых будет формироваться схема портативной электробатареи iEnеrgy. При суммировании величин рабочих токов ее мощности будет достаточно для использования вместо химических батареек и аккумуляторов в сотовых телефонах, ноутбуках и других мультимедийных устройствах, а в будущем, возможно, и в электромобилях и домашних электростанциях.
Таким образом, представляется вполне возможным создание принципиально нового, подобно живой клетке использующего тепло окружающей среды, долго и непрерывно работающего, особо эффективного и дружественного природе поколения устройств наноэнергетики – автономных, портативных, сравнительно легких и дешевых электробатарей iEnеrgy, которые могут стать частью альтернативной системы автономной, распределенной энергетики.
Литература
1.Виноградов А.Д. Биохимия. – М., 2001. Т. 66. Вып. 10. С. 1346.
2.Сидоров М.А. О механизме генерации электротока живой клеткой. – М.: Спутник+, 2002.
3.Комиссаров Г.Г. Фотосинтез: физико-химический подход / 2-е изд., стереот. – М., 2006.
4.Скулачев В.П. Энергетика биологических мембран. – М.: Наука, 1989.
5.Рубин А.Б. Биофизика. – М., 2000. Т. 1.
С. 372–373.
6.Скулачев В.П., Шувалов В.А. Фотосинтез и молекулярная энергетика // Вестник РАН. 2006. Т. 76. № 5. С. 437–443.
7.Ощепков П.К. Избранное. ФГБОУ ВПО "Ижевский государственный технический университет", 2014. С. 260–266.
8.Bostwicket A. at al. New J. Phys. 9, 385 (2007).
9.Liu Y., Xu F., Zhang Z., Penev E.S., Yakobson B.I. Two-Dimensional Monoelemental Semiconductor with Electronically Inactive Defects: The Case of Phosphorus. Nano Letters, 2014.
10.Морозов С.В. УФН 182 437-439 (2012).
11.Cao Y., Mishchenko A., Yu G.L., Khestanova K., Rooney A., Prestat E., Kretinin A.V., Blake P., Shalom M.B., Balakrishnan G., Grigorieva I.V., Novoselov K.S., Piot B.A., Potemski M., Watanabe K., Taniguchi T., Haigh S.J., Geim A.K., Gorbachev R.V. Quality heterostructures from two dimensional crystals unstable in air by their assembly in inert atmosphere. Nano Letters, 2015.
12.Жоаким К., Плевер Л. Нанонауки. Невидимая революция. – М.: КоЛибри, 2009. 240 с.
13.Ратнер М., Ратнер Д. Нанотехнология. – М.: Изд.дом "Вильямс", 2004. С. 94.
14.Xu J. and Lavan David A. Designing artificial cells to harness the biological ion concentration gradient. Nature Nanotechnology 3, 666–670(2008).
Отзывы читателей
