Ансамбль биомолекул – нанобатарейка

Наноэнергетика родилась на стыке нанобиоэнергетики, нанофизики и нанотехнологии

Возможно, в ближайшем будущем громоздкие аккумуляторы уступят место крошечным биобатарейкам.

Sidorov.jpg

Михаил Александрович Сидоров – специалист в области энергетики, биоэнергетики и наноэнергетики

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.

Михаил Сидоров

http://www.ng.ru/…nsamble.html

Забавно, что такие фундаментальные и (в хорошем смысле) «сумасшедшие» теории обсуждаются не на страницах специализированных журналов, а на страницах газет. Не свидетельствует ли это о том, что «серьёзные» учёные не пускают этого «изобретателя» на страницы научных журналов и тем самым, возможно, лишают нас знания о таких изобретениях. Словом, было бы здорово, если бы всё, что обещает нам автор в конце концов воплотилось бы жизнь, а пока нашей компетенции не хватает, чтобы высказаться более определённо по поводу этих теорий…