Исследователи, возглавляемые старшим автором Шейном Ардо, доцентом кафедры химии, химической инженерии и материаловедения Калифорнийского университета в Ирвине, пишут, что они создали «ионный аналог электронного солнечного элемента с pn-переходом», используя свет, чтобы использовать полупроводниковое поведение воды и генерировать ионное электричество. Они надеются использовать такой механизм для производства устройства, которое будет непосредственно опреснять соленую воду под воздействием солнечного света.
«Были и другие эксперименты, относящиеся к 1980-м годам, в которых материалы фотовозбуждены, чтобы пропустить через них ионный ток, и теоретические исследования показали, что эти токи должны иметь возможность достигать тех же уровней, что и их электронные аналоги, но ни один из них не работал полностью. ", – говорит первый автор Уильям Уайт, аспирант исследовательской группы Ардо.
В этом случае исследователи достигли большего успеха, позволив воде проникать через две ионообменные мембраны, одна из которых в основном транспортирует положительно заряженные ионы (катионы), такие как протоны, и вторая, которая в основном транспортирует отрицательно заряженные ионы (анионы), такие как гидроксиды, действуя как пара химических ворот для разделения заряда. Освещение системы лазером побуждало светочувствительные молекулы органического красителя, связанные с мембраной, высвобождать протоны, которые затем переносились на более кислую сторону мембраны и создавали измеримый ионный ток и напряжения более 100 мВ в некоторых случаях (60 мВ в среднем).
Несмотря на временное превышение порога фотонапряжения 100 мВ, уровень электрического тока, которого может достичь двухмембранная система, остается ее главным ограничением. Чтобы достичь отметки ~ 200 мВ, необходимой для опреснения морской воды, необходимо увеличить фотоэдс более чем в два раза.
«Все сводится к фундаментальной физике того, как долго носители заряда сохраняются, прежде чем рекомбинировать с образованием воды», – говорит Ардо. «Зная свойства воды, мы можем более разумно спроектировать один из этих биполярно-мембранных интерфейсов, чтобы мы могли максимизировать напряжение и ток."
В конечном итоге опреснение – это лишь одно из возможных применений синтетического светового протонного насоса, разработанного исследователями.
Он также может иметь потенциал для взаимодействия с электронными устройствами или даже для передачи сигналов в интерфейсах мозг-машина и других «ячеек киборга», сочетающих живую ткань и искусственную цепь, – роль, которую не могут выполнить традиционные солнечные элементы, которые нестабильны в биологические системы.
«У нас было много идей о том, для чего можно использовать эту технологию; это просто вопрос обучения, достаточного для того, чтобы скрестить разные области и заставить устройство работать для этих предполагаемых приложений», – говорит Ардо. "Я думаю, что это просто еще один пример того, что вы можете сделать, когда у вас есть ученые, которые обучены многим дисциплинам и мыслят нестандартно."