Wie viele Schritte sind nötig, um ein Blatt herzustellen?

Wenn Sie auf der Straße auf die gefallenen Blätter treten und ein knirschendes Geräusch unter Ihren Füßen hören, haben Sie dann schon einmal daran gedacht, dass diese scheinbar gewöhnlichen Blätter auf den Zweigen lautlos eine magische Mission erfüllt haben?

Durch Photosynthese absorbiert es Kohlendioxid und gibt Sauerstoff ab, wodurch die Atmung und Symbiose allen Lebens auf der Erde aufrechterhalten wird. Unter den exquisiten „Designs“ der Natur sind Blätter zweifellos eine der wunderbarsten „Fabriken“.

Können Menschen diese magische „Magie“ der Natur nachbilden?

Wenn möglich, können wir diese „Fabrik“ nutzen, um saubere Energie zu produzieren, den Kohlendioxidausstoß zu reduzieren, den Klimawandel zu verlangsamen … und der Menschheit zu helfen, die zukünftigen Energie- und Umweltprobleme besser zu bewältigen.

Vor kurzem sind im Labor von Liu Dianyi an der School of Engineering der Westlake University „künstliche biologische Blätter“ gezüchtet worden, die natürlichen Blättern sehr ähnlich sind. Dieses Blatt liegt ruhig in der Petrischale und wartet auf den Ruf der Sonne.

Was sind künstliche Blätter? Das Konzept der künstlichen Blätter entstand erstmals in den 1980er Jahren mit dem Ziel, Wasserstoff im großen Maßstab zu produzieren, indem Wasser durch Lichtenergie zersetzt und organische Stoffe mithilfe von Kohlendioxid produziert werden.

Seien Sie nicht überrascht, wenn Wissenschaftler eine Tube mit Lösung als „künstliches Blatt“ bezeichnen. Denn künstliche Blätter simulierten zunächst eher die „Funktion“ von Blättern als deren „Form“.

Warum untersuchen Wissenschaftler künstliche Blätter?

„Natürliche Blätter haben sich über Hunderte von Millionen von Jahren entwickelt und weisen exquisite Strukturen auf, aber ihre Photosyntheseeffizienz ist nicht hoch, sie beträgt nur etwa 1 %“, erklärte Liu Dianyi. Natürliche Blätter absorbieren nur blau-violettes Licht und einen Teil des Nahinfrarotlichts. Die Anzahl der absorbierten Photonen ist begrenzt und die Effizienz eingeschränkt.

Stellen Sie sich also vor, Wissenschaftler könnten das Design der Blätter entsprechend den unterschiedlichen Anforderungen optimieren, geeignete Materialien auswählen, ihre Lichtabsorptionseffizienz verbessern und die Einschränkungen der Photosynthese überwinden. Dann würden diese künstlichen Blätter zu effizienten „Photosynthesemaschinen“, die „emotionslos“ wären!

Die Forschung zur Entwicklung künstlicher Geräte zur Nachahmung der Photosynthese natürlicher Blätter läuft bereits seit Jahrzehnten. Was ist das Besondere an den im Labor von Liu Dianyi reproduzierten künstlichen Blättern im Vergleich zu anderen „künstlichen Blättern“?

Wenn Sie es zum ersten Mal sehen, werden Sie feststellen, dass es wie ein „echtes Blatt“ aussieht. Bei genauerem Hinsehen scheint dieses Blatt auf der Oberfläche nur eine dünne Membran zu sein, doch im Inneren verbirgt es ein komplexes bionisches Design.

Der Kern des Blattes ist eine „Genossenschaft“ aus fotoelektrischen Halbleitern und speziellen Bakterien. Sobald die Halbleiter dem Sonnenlicht ausgesetzt werden, fangen sie Lichtenergie ein und wandeln sie in Elektronenbewegung um. Diese Energie wird wie ein „Nährstoff“ an die am Halbleiter haftenden Bakterien weitergegeben, wodurch diese „voller Vitalität“ werden und beginnen, Kohlendioxid effizient in organische Stoffe wie Acetat umzuwandeln.

„Dies ist ein wirklich künstliches biologisches Blatt“, sagte Liu Dianyi. Es hat nicht nur die Form eines Blattes, sondern kann auch Sonnenlicht absorbieren und Kohlendioxid umwandeln wie natürliche Blätter und es verfügt über echte Vitalität – es ist wie eine lebende „Mikrofabrik“ mit „Atmungs-“ und „Stoffwechsel“-Funktionen.

Wie viele Schritte sind nötig, um ein Blatt zu „ replizieren “?

Wie werden diese magischen Blätter hergestellt?

Gehen wir in Liu Dianyis Labor und sehen wir, wie viele Schritte nötig sind, um ein Blatt zu replizieren.

Schritt 1: Installieren Sie eine „Stromquelle“ an den Klingen

Das Erstaunliche an Blättern in der Natur ist ihre Fähigkeit, Sonnenlicht durch Photosynthese in Energie umzuwandeln. Der Kern dieses Prozesses ist Chlorophyll . Um künstlichen Blättern die Funktion der Photosynthese zu ermöglichen, bestand die erste Herausforderung für Liu Dianyis Team im Labor darin, eine „Energiequelle“ zu finden, die Chlorophyll simulieren konnte.

Sie entschieden sich für Polymer-Halbleiterfilme , die Licht effizient absorbieren und Elektronen erzeugen können und als „Lichtfänger“ für künstliche Blätter bezeichnet werden können.

Um den Blättern eine stärkere Lichtabsorption und Umwandlungseffizienz zu verleihen, entwickelte das Team zusätzlich eine „Bulk-Heterojunction“-Struktur. Einfach ausgedrückt ist diese Struktur wie eine effiziente „Energiebatterie“, die unter Sonnenlicht Elektronen und positiv geladene „Löcher“ trennen kann, wodurch ein interner Energieverbrauch vermieden wird und die Blätter weiterhin Licht absorbieren können.

| Schematische Darstellung des Elektronentransferprinzips des biologischen künstlichen Photosynthesesystems. Letztendlich wird die von diesem Halbleiterfilm absorbierte Lichtenergie in „Nährstoffe“ für Bakterien umgewandelt und stellt so eine kontinuierliche Energiequelle für die Blätter dar.

„Tatsächlich ist das Konzept der bionischen Photosynthese nicht neu“, sagte Liu Dianyi. „Vor Jahrzehnten hatten Wissenschaftler die Vorstellung, anorganische Materialien für die Photosynthese zu verwenden und Wasser zu zersetzen, um Wasserstoff und Sauerstoff zu produzieren. Allerdings fehlt ihnen oft die Vitalität echter Organismen und sie verfügen nur über eine teilweise Photosynthesefunktion.“

Anstelle von Chlorophyll werden Halbleitermaterialien verwendet, um Lichtenergie einzufangen, und Bakterien werden als „Arbeiter“ eingesetzt, um die „Arbeit“ zu erledigen. Diese einzigartige Kombination macht das künstliche Blatt nicht nur zu einem Umwandlungsgerät, sondern auch zu einer lebenden „Fabrik“.

Schritt 2: Erwecken Sie die Blätter zum Leben

Nachdem die „Energiequelle“ der Photosynthese gewonnen wurde, besteht das nächste Ziel darin, den Blättern echte „Vitalität“ zu verleihen – indem man ihnen ermöglicht, nicht nur Licht zu absorbieren, sondern auch „lebendig zu werden“.

Im „Herzen“ des Blattes befindet sich als Schlüsselkomponente ein flexibler Film, so dünn wie der Flügel einer Zikade, der vielen Bakterien als Lebensraum dient, deren Aufgabe es ist, Kohlendioxid umzuwandeln. Diese „winzigen Arbeiter“ kommen von Natur aus nicht in Blättern vor, sondern sind „fremde Zellarbeiter“, die sorgfältig geprüft und speziell entwickelt wurden. Halbleitermaterialien absorbieren Sonnenlicht und übertragen Lichtenergie auf Bakterien, wodurch die Effizienz der Kohlendioxidumwandlung erheblich verbessert wird.

„Bakterien wirken dabei wie ‚Katalysatoren‘ und helfen den Blättern, kontinuierlich Kohlendioxid umzuwandeln“, erklärte Liu Dianyi anschaulich.

Um diese Bakterien auf den Blättern „leben“ zu lassen, führte das Team mehrere Experimente durch und fand schließlich eine geeignete Befestigungsmethode, die es den Bakterien ermöglichte, sich auf dem Halbleiterfilm „niederzulassen“. Nachdem die Bakterien die vom Halbleiter übertragene Energie erhalten haben, „schlucken“ sie kontinuierlich Kohlendioxid und wandeln es in nützliche organische Stoffe um.

Von da an begann die „Vitalität“ der Blätter zum Vorschein zu kommen: Diese multifunktionale „Mikrofabrik“ kann nicht nur frei atmen, sondern sich auch weiterhin „vermehren und ausbreiten“.

Schritt 3: Den Blättern eine „Form“ geben

Mit der Kraftquelle und Vitalität besteht die nächste große Herausforderung darin, der künstlichen Klinge eine „Form“ zu geben.

In früheren Studien lagen viele künstliche Photosynthesesysteme nur im Lösungszustand vor und hatten nicht die feste Form von Blättern. Diesmal setzte sich das Team von Liu Dianyi von Anfang an ein klares Ziel: Da es sich um ein „künstliches Blatt“ handelt, muss dieses Blatt nicht nur Funktionen erfüllen, sondern auch die Form und Struktur eines Blattes aufweisen.

Um dieses Problem zu lösen, verwendete das Team von Liu Dianyi ein leichtes, flexibles Substrat . Auf diesem flexiblen und leichten Basismaterial verteilen sie den Polymerhalbleiterfilm. Auf diese Weise könnten die Blätter wie die Blätter von Wasserpflanzen auf dem Wasser schwimmen. Durch diese Konstruktion können die Blätter nicht nur Kohlendioxid aus dem Sonnenlicht aufnehmen, sondern sie können in Zukunft auch im großen Maßstab als grüne Kohlenstoffsenke genutzt werden.

Darüber hinaus entwarf das Team auch ein „quasi-festkörperartiges“ künstliches Blatt, das durch die Zugabe von Materialien wie Agar dem Blatt eine höhere strukturelle Stabilität verlieh. Auf diese Weise kann das Blatt nicht nur auf der Wasseroberfläche arbeiten, sondern auch in der Landumgebung stabil funktionieren.

Durch diesen Schritt verfügt das künstliche Blatt nicht nur über Funktionen, sondern weist auch eine Morphologie auf, die der natürlicher Blätter ähnelt, und wird so zu einem vollständigen System.

| Schematische Darstellung eines künstlichen Blattes, das lebendig ist und die gleiche Form und Funktion wie ein natürliches Blatt hat

Schritt 4: Realisieren Sie den „Blade Cycle“

Mit einer lichtabsorbierenden „Energiequelle“, lebensfähigen Bakterien und einer stabilen Form hat das künstliche Blatt Gestalt angenommen.

Was sich Liu Dianyis Team erhofft, ist nicht nur ein Gerät, das Photosynthese durchführen kann, sondern ein „künstliches Blatt“, das wirklich am natürlichen Kreislauf teilnehmen kann.

Durch Experimente fand das Team heraus, dass das von diesem Blatt produzierte Acetat nicht nur als industrieller Rohstoff verwendet werden kann, sondern auch zur Hefekultivierung und zur Bereitstellung von Nährstoffen für die Lebensmittelproduktion genutzt werden kann. Durch diesen zyklischen Aufbau ist das künstliche Blatt nicht mehr nur ein Laborprodukt, sondern eine „neue Art“, die das Potenzial hat, in das Ökosystem integriert zu werden.

Durch diese Forschung gelang es künstlichen Blättern, im Labor eine vollständige Umwandlung von Kohlenstoff in Nahrung zu erreichen und sie besaßen zunächst die Funktion eines künstlichen Ökosystems.

Das produzierte Acetat wird weiter zur Kultivierung von Hefe für die Lebensmittelproduktion verwendet

Wie viele Schritte werden künstliche Blätter in Zukunft benötigen? Vom Materialdesign bis zur Erschaffung des „Lebens“, von der Funktionsrealisierung bis zum ökologischen Kreislauf – die Herstellung eines Blattes scheint nur aus einfachen „vier Schritten“ zu bestehen, doch Liu Dianyis Team brauchte dafür vier Jahre.

Denn dieser Prozess ist voller interdisziplinärer Herausforderungen und betrifft so viele Bereiche wie Biologie, Chemie, Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften.

Ein Blick auf Liu Dianyis Lebenslauf auf der offiziellen Website der Westlake University zeigt, dass er seit langem in der Forschung auf dem Gebiet optoelektronischer Materialien und Geräte tätig ist. Zuvor waren seine Kenntnisse auf dem Gebiet der Biologie sehr begrenzt. Dank der stark interdisziplinären Atmosphäre der Westlake University kann das Forschungsteam neben der Lektüre relevanter Literatur auch jederzeit mit den Laboren der School of Life Sciences kommunizieren und voneinander lernen.

Schließlich wird aus einem völlig unbekannten Gebiet schrittweise eine Problemlösung erreicht: Materialwissenschaft, Bioingenieurwesen, physikalische Chemie – diese Gebiete sind auf diesem Blatt geschickt miteinander verflochten und machen das künstliche Blatt von der Konzeption zur Realität.

Auf dieser Grundlage können Wissenschaftler aus verschiedenen Bereichen künftig weitere Schritte unternehmen und dieses Blatt in breitere Anwendungsbereiche bringen.

Stellen Sie sich vor, diese „atmenden“ Blätter werden vielleicht schon in naher Zukunft auf dem Wasser schwimmen und die oberen Stockwerke von Gebäuden bedecken, wobei sie lautlos Kohlendioxid absorbieren, Sauerstoff und organische Stoffe erzeugen und sich tatsächlich in kleine „grüne Fabriken“ verwandeln.

Stellen wir uns die fernere Zukunft vor: Wenn die Menschheit sich auf den Weg zu Planeten wie dem Mars macht, werden diese künstlichen Blätter vielleicht zu ihren „Reisebegleitern“, die das auf fremden Planeten im Überfluss vorhandene Kohlendioxid nutzen, um uns Sauerstoff und Nahrung zu bringen und so das Leben in fremden Umgebungen weiterzuführen …

Ein, zwei, drei oder vier Stück. Wir hoffen, dass diese künstlichen biologischen Blätter das Labor verlassen, in die weite Welt hinausschweben und mehr Möglichkeiten eröffnen können.

(Quelle: Westlake University)