Biyonik Parçacıklar, Güneş Işığını Yakıta Çevirebilmek İçin Kendi Kendilerine Birleşiyorlar!

Terminatör gibi kurgusal robotlardan ilham alan Michigan ve Pittsburgh Üniversiteleri'nden bir araştırma ekibi, yarı iletkenler ve proteinlerden oluşan ilk biyonik parçacığı üretti. Bu parçacıklar, bitkilerin güneş ışığını yakıta dönüştürmesi işleminin temelini yeniden canlandırıyorlar. Michigan Üniversitesi'nde Florence B. Cejka Mühendislik Profesörü olan ve deneyi yürüten Nicholas Kotov şöyle söylüyor: 

İnsanların güneş enerjisini yapay maddeler ya da organizmalar kullanarak biyoyakıta dönüştürme çabaları düşük verim getiriyor.

Biyonik bir yaklaşım bunu değiştirebilir. Hâlihazırda ışık enerjisini elektron enerjisine dönüştürebilen biyonik parçacıklar, inorganik maddelerin gücünü, kimyasal işlevleri evrim yoluyla hayli gelişmiş olan biyolojik moleküllerle harmanlar. 

Ekip önce güneş pillerinde sıkça kullanılan bir yarı iletken olan kadmiyum tellürid ile bitkilerin fotosentezde elektronları iletmek için kullandığı bir protein olan sitokrom C'yi birleştirecek parçacıklar tasarladı. Bu birleşim yoluyla, bu yarı iletken güneş ışığını elektrona çevirebilir ve sitokrom C bu elektronu, örneğin kirlenmeleri önleyecek ya da yakıt üretecek kimyasal tepkimelerde kullanmak üzere çekebilir. 

Tepkimeleri yürütmek için, sitokrom C molekülleri ve kadmiyum tellürid nano parçacıklarının elektron alışverişi yapması gerekmektedir. Bu süreç bileşenler birbirlerine bağlı olduğu zaman en etkin haline gelecekti, bu sebeple ekip süper parçacık oluşturmak üzere kendiliğinden birleşecekleri şekilde bir süreç tasarladı. 

Simülasyonları yürüten Stuart W. Churchill Kimya Mühendisliği Profesörü ve U-M'den Sharon Glotzer, kendiliğinden birleşen sistemi, küçük ölçekte güçlü olan ancak yapı büyüdükçe zayıflayan çekici güçler kullanarak yaşayan hücrelerin oluşturduğu yüzeylerle karşılaştırıyor. Kotov'un ekibi yarı iletken parçacıkların ve proteinlerin doğal hallerinde kabaca 100 nanometre (0.0001 milimetre) çapında daha büyük parçacıklar oluşturmak üzere birleştiğini doğruladı. 

Ekip test tepkimeleri için bu formülü ilerletti. Biyonik parçacıkların, güneş enerjisini kullanarak kimyasal tepkimeler oluşturabileceğini göstermek için kirletici özellikteki nitratı, nitrit ve oksijene çevirdiler. Bu süreç için yarı iletken ve sitokrom C, ekibin süper parçacıkların içine dâhil ettiği diğer enzimlerin yardımına ihtiyaç duyuyordu. Glotzer şöyle söylüyor:

Biyolojik ve inorganik parçaları her iki tarafın niteliklerini bir araya getirecek şekilde birleştirdik ve her birinin tek başına yaptığından daha iyisini elde ettik.

Sitokrom C'ye ait elektronların gücü ile enzim, nitrat moleküllerinden oksijeni çıkarabildi. Bitkilerde fotosentezi tamamlayan yapılar gibi, biyonik parçacıklar enerji yönetiminde geri kaldı.

Doğa, bitkilerde bu çalışan parçaları sürekli olarak yeniliyor ve kendiliğinden birleşen sistem aracılığı ile bu parçacıklar da kendilerini yenilemeye başlayabilecek. Kotov parçacıkların kullanım ile yıpranması sonrası yeniden birleşmesine zaman tanıyacak şekilde çalışma potansiyeline sahip olduklarını söyledi. Kendiliğinden birleşmenin, iki yapı taşının benzer boyutta ve yükte olması dolayısıyla gerçekleştiğini açıkladı. Sözlerine şöyle devam etti:

Eğer inorganik nanoparçacıklar çok küçük olursa birleşmezler. Çok büyük olursa proteinleri açığa çıkarırlar. Nanoparçacıklarla proteinler zıt yüklere sahip olursa, büyük kümeler oluştururlar ve çözelti dışında kalırlar.

Glotzer artık birleşme işinin nasıl çalıştığını anlayabildiklerini söyledi: 

Şartları iyileştirecek ve farklı nanoparçacık-protein sistemleri türleri üzerine bulduklarımızı genişletecek tasarım ilkeleri bulabiliriz.

Amaçlarımızdan biri, var olan enerji altyapısının büyük kısmının sıfır net karbon emisyonu ile çalışmaya devam etmesine izin verecek şekilde karbondioksit ve suyun doğal gaza çevrilmesi. Fakat ekip sadece yapay fotosentez uygulamalarından fazlasını düşünüyor. Kotov şöyle söylüyor:

Bu tasarım prensipleri, biyolojik organizmalar ve inorganik makinelerin ana yapı taşlarından başlamak üzere ileride farklı biyonik sistemlere rehber olması için kullanılabilir. Çok büyük olasılıkla geleceğin Terminatörünün bu tür yapı taşlarından başlayarak oluşturulması gerekecek.