研究人员为细菌群落制造了微型“摩天大楼”，帮助它们仅利用阳光和水发电。
来自剑桥大学的研究人员使用 3D 打印创建了高层“纳米房屋”网格，喜欢阳光的细菌可以在其中快速生长。然后，研究人员能够提取细菌的废弃电子，这些电子是光合作用遗留下来的，可用于为小型电子设备供电。
其他研究团队已经从光合细菌中提取能量，但剑桥大学的研究人员发现，为它们提供合适的住所会使它们可以提取的能量增加一个数量级以上。该方法与传统的可再生生物能源发电方法相比具有竞争力，并且已经达到太阳能转换效率，可以胜过许多当前的生物燃料发电方法。
他们的研究结果发表在《自然材料》杂志上，为生物能源发电开辟了新途径，并表明“生物混合”太阳能资源可能是零碳能源组合的重要组成部分。
当前的可再生技术，例如硅基太阳能电池和生物燃料，在碳排放方面远远优于化石燃料，但它们也存在局限性，例如对采矿的依赖、回收方面的挑战以及对农业和土地的依赖使用，导致生物多样性丧失。
“我们的方法是朝着为未来制造更可持续的可再生能源设备迈出的一步，”领导该研究的 Yusuf Hamied 化学系的 Jenny Zhang 博士说。
张和她来自生物化学系和材料科学与冶金系的同事正在努力将生物能源重新思考为可持续和可扩展的东西。
光合细菌或蓝细菌是地球上最丰富的生命。几年来，研究人员一直试图“重新连接”蓝藻的光合作用机制，以便从中提取能量。
“从光合系统中实际提取多少能量方面存在瓶颈，但没有人知道瓶颈在哪里，”张说。“大多数科学家认为瓶颈在生物方面，在细菌中，但我们发现一个实质性的瓶颈实际上是在物质方面。”
为了生长，蓝藻需要大量的阳光——就像夏天的湖面一样。为了提取它们通过光合作用产生的能量，细菌需要附着在电极上。
剑桥团队用金属氧化物纳米粒子 3D 打印了定制电极，这些电极经过定制，可以在蓝藻进行光合作用时与它们一起工作。电极被打印成高度分支、密集的柱状结构，就像一座小城市。
张的团队开发了一种打印技术，可以控制多个长度尺度，使结构高度可定制，这可以使广泛的领域受益。
“电极具有出色的光处理性能，就像一个有很多窗户的高层公寓，”张说。“蓝藻需要它们可以附着并与邻居形成社区的东西。我们的电极可以在大量表面积和大量光线之间取得平衡——就像一座玻璃摩天大楼。”
一旦自组装蓝藻进入他们新的“有线”家园，研究人员发现它们比当前其他生物能源技术(如生物燃料)更有效。与其他通过光合作用产生生物能的方法相比，该技术将提取的能量增加了一个数量级以上。
“我很惊讶我们能够达到我们所做的数字 - 多年来一直预测类似的数字，但这是第一次通过实验证明这些数字，”张说。“蓝藻是多功能化工厂。我们的方法使我们能够及早利用它们的能量转换途径，这有助于我们了解它们如何进行能量转换，以便我们可以利用它们的自然途径来生产可再生燃料或化学物质。”
该研究得到了生物技术和生物科学研究委员会、剑桥信托基金、艾萨克牛顿信托基金和欧洲研究委员会的部分支持。Jenny Zhang 是 BBSRC David Phillips 化学系研究员，也是剑桥科珀斯克里斯蒂学院的研究员。
