Исследование раскрывает технологически привлекательный приём микроскопических водорослей для управления светом
Исследователи из Сколтеха и их коллеги раскрыли сложный механизм управления светом, который, вероятно, используют микроскопические водоросли для повышения эффективности фотосинтеза.
Изучая взаимодействие света с замысловатыми узорчатыми оболочками из диоксида кремния, окружающими одноклеточные водоросли, команда надеется выявить принципы, которые в перспективе могут быть использованы в световых детекторах, био- и химических сенсорах, защитных покрытиях от ультрафиолетовых лучей, солнечных элементах и других технологиях, вдохновлённых природой, вплоть до систем искусственного фотосинтеза, использующих CO2 и воду для производства топлива.
Исследование опубликовано в журнале Optica.
Диатомовые водоросли — чрезвычайно распространённые и хорошо адаптированные микроорганизмы. Они составляют значительную часть фитопланктона, формируя почти половину органического материала в океанах и генерируя четверть кислорода планеты.
Отличительная черта диатомей — жёсткая клеточная стенка из стекловидного вещества, пронизанная сложными узорами отверстий. Водоросли используют её для защиты, удаления отходов, поглощения питательных веществ и — как давно предполагалось — для управления светом, чтобы максимально использовать солнечную энергию, достигающую океанских глубин, где обитают эти водоросли.
«Исследуя оптические свойства диатомовых водорослей вида Coscinodiscus oculus-iridis, мы показали, что их панцири (фрустулы) со сложным узором пор демонстрируют так называемый эффект Талбота», — сказал ведущий автор исследования, доцент Сколтеха Сергей Дьяков.
«Свет дифрагирует на узоре отверстий и фокусируется в многочисленных «горячих точках» внутри оболочки. Хотя мы не думаем, что именно для этого диатомеи эволюционировали свои ситообразные панцири, они определённо, по-видимому, используют их для повышения эффективности фотосинтеза, возможно, стратегически располагая свои светособирающие хлоропласты».
Команда подтвердила возникновение эффекта Талбота расчётами и планирует подкрепить выводы экспериментом с увеличенной искусственной структурой, имитирующей узор отверстий фрустулы.
Старший научный сотрудник Сколтеха Юлияна Цветинович, соавтор исследования, прокомментировала виды биомиметических технологий, которые могут выиграть от лучшего понимания диатомей: «По мере того как мы получаем больше информации о свойствах панцирей диатомей, в конечном итоге некоторые из раскрытых механизмов могут найти путь в фотонные устройства, биосенсоры, саморегулирующиеся светочувствительные покрытия и фотовольтаику, возможно, даже в системы искусственного фотосинтеза, которые будут использовать световую энергию и запасать её в форме химического топлива, а не электричества».
Руководитель грантового проекта, профессор Сколтеха Дмитрий Горин, поделился своим мнением о диатомеях как объекте исследования: «Диатомеи — яркий пример ещё одного шедевра природы, которой за миллионы лет эволюции удалось создать идеальный объект с точки зрения сочетания оптических и механических свойств. Я уверен, что мы найдём ещё много интересного в процессе дальнейшего изучения физических и биохимических свойств диатомей».