Fotoğraf-1: Bakterilerdeki nanoteller suyu elektriğe dönüştürebilir
Elektrik mühendisi Jun Yao yeni bir işe başladığında “yeşil” bir güç kaynağı yaratmaya çalışmıyordu, ancak şans ona suyu elektriğe dönüştürmek için tamamen doğal proteini kullanmanın bir yolunu keşfetmesinde yardımcı oldu.
Yao, Amherst’teki Massachusetts Üniversitesi’nde (UMass) çalışıyor ve elektronikte kendi tasarladığı nanotelleri kullanıyor. Bu teller/kablolar çok küçük, her biri metrenin milyarda biri genişliğinde. Yeni bir proseför olan Yao, araştırması için bu tellerden yeteri kadar alırken oldukça zorlandı.
Fotoğraf-2: Bu Geobacter bakterisi bir nanoteller ağı tarafından çevrelenmiştir
Cesareti kırılmış Yao, UMass’ta mikrobiyolog olarak görev yapan Derek Lovley’e bu sorunundan bahsetti. Lovley, Yao’ya nano protein şeritleri üreten bakterilerden söz etti. Bunların nano tellerin yerini alıp alamayacağını öğrenmek için ikisi birlikte çalışma yürüttüler.
Geobacter bakterileri çamurda yaşar. Lovley, bu mikropları 30 yıldan daha uzun bir süre önce keşfetti. O zamandan beri bu mikroplar petrol sızıntılarını ve radyoaktif atıkları temizlemek için kullanılıyor.
Bakteriler, hücrelerinin her yerinde tel benzeri protein şeritleri üretir. Yao, “Minyatür bir deniz kestanesine benziyorlar” diye belirtiyor. Mikroplar besini enerjiye dönüştürürken elektronları serbest bırakırlar. Bu elektronlar protein zincirleri boyunca hareket ederek çamurdaki demire ulaşırlar.
Lovley, yeni araştırma için nano şeritleri bu bakterilerin milyarlarcasından çıkardı. Yao’nun ekibi daha sonra iki küçük, altın metal plaka arasına bir tel benzeri tel bulutu sıkıştırdı. (Bir avuç ipliği alıp düzleştirdiğinizi hayal edin.) Altın buarada elektrot görevi görür. Bir elektrik devresinin metal olmayan kısmıyla (bu protein şeritleri ile) temas ederler. Yüksek lisans öğrencisi Xiaomeng Liu daha sonra iki elektrot arasına bir voltaj uyguladı. Yao, bunu bir bataryaya bağlamaya benzetiyor. Liu bunu yaptığında, elektrik sistemden geçti (elektronların akışı). Protein “şeritleri” artık metal teller gibi davranıyordu.
Fotoğraf-3: Laboratuvarın cihazı, iki altın elektrot arasına bir protein nanotel filmi sıkıştırıyor.
Güzel Bir Tesadüf
Liu bir gün voltajı açmayı unuttu, yine de cihazdan elektrik aktığını gördü. Protein nanotelleri elektrik üretmişti. Test edildikten sonra araştırmacılar havanın neminin – su içeriğinin – kuruluma güç verdiğini gösterdi.
Heyecanlanan araştırmacılar, yeni sistemlerinin ne kadar iyi çalıştığını test etmeye karar verdiler. Küçük bir cihazla başladılar. Alt elektrotunun bir kenarı sadece 5 milimetre (0,2 inç) idi. Bunun üstünde 7 mikrometre kalınlığında (insan saçından çok daha ince) bir nanotel tabakası vardı. Üste, her iki kenarı 1 milimetre olan daha küçük kare bir elektrot oturtuldu.
Cihaz test edilen tüm nem seviyelerinde elektrik üretti, ancak nem yüksek olduğunda daha fazla üretti. En yüksek güçte, sürekli 0,5 volt üretti. Araştırmacılar beş cihazı bağladıklarında, beş kat enerji çıkışı elde ettiler. Suyu nanotellerden uzak tutmak için cihazı örtmek, elektrik üretimini durdurdu. Kapağın çıkarılması cihazı tekrar açtı. Yao, tek bir cihazın çıktısı küçük olsa da bir grup telefonu şarj edebileceğini veya bir lambayı yakabileceğini söylüyor.
Sistemin anahtarı, nanoteller arasındaki nanopor adı verilen küçük boşluklardır. Suyun teller arasında hareket etmesine izin verirler. Nanotel paketinin havayla temas ettiği yerde küçük elektrot sayesinde daha fazla su toplanır. Nanotellerin daha büyük elektroda dokunduğu tarafta daha az toplanır. Bu fark veya gradyan, “tellerin” bir tarafında pozitif bir yük ve diğer tarafında negatif bir yük oluşturur. Yao, biraz şimşek oluşmasına benzediğini belirtiyor. “Su moleküllerinin hareketi bulutta bir yük ayrımı yaratır” diye açıklıyor. “Sonunda bulutun boşalması için bir eşiğe ulaşır ve yıldırım üretir.”
Geleceğe Güç Vermek mi?
Yao, yeni cihazın yenilenebilir enerjide büyük bir yenilik olma potansiyeline sahip olduğunu söylüyor. Sonuçta, “nem her yerde” diye belirtiyor. Cihazla oldukça incedir bu sebeple istiflenebilirler. Güneş panellerinin aksine, ışığa veya büyük bir alanı kaplamaya ihtiyaçları yoktur. İçeride veya dışarıda kullanılabilirler. Hatta dikkat bile çekmeden mobilyaların, cep telefonlarının ve daha fazlasının bir parçası olabilir.
Yao, en iyi yanının, mikrobiyal tellerin toplanmasının zararlı kimyasallar üretmemesi olduğunu söylüyor. Cihazlara artık ihtiyaç kalmadığında altın elektrotlar yeniden kullanılabilir veya geri dönüştürülebilir. Nanoteller dışarı atılabilir, bu da proteinin doğal olarak parçalanmasına izin verir. Yao, diğer yenilenebilir enerji türlerinden farklı olarak, çevreyi kirletmek için uzun vadeli bir atık olmadığını söylüyor.
Çalışmaya dahil olmayan, Cleveland, Ohio’daki Case Western Reserve Üniversitesi’nde nanoteknoloji araştırmacısı olarak görev yapan Quanbin Dai, bunun önemli bir teknoloji olduğunu söylüyor. Birçok insanın “şarj edilmesi gereken cep telefonları ve giyilebilir elektronik cihazlarına sahip” olduklarını belirtiyor. Bunlara nemli havadan güç sağlama fikrinin çekici olduğunu söylüyor. Protein nanotelleri günün herhangi bir saatinde ve her yerde elektrik enerjisi üretebilir. “Bunun başarılı bir şekilde uygulandığını görmek ilginç olacak” diyor.
Yao ve Lovley şu an bunu gerçekleştirmek için çalışıyorlar. Şu andaki sınırlayıcı etmenlerden birisi, yeterli miktarda mikrobiyal telleri hızlı bir şekilde yetiştirmek. Ancak Lovley bu işle ilgileniyor ve kendisi şimdiden nanotelleri yapmak için geni daha hızlı büyüyen bir bakteri türüne yerleştirip çalışmalarını sürdürüyor.
Kaynakça: sciencenewsforstudents.org