長期以來，科學家們一直在研究將陽光、二氧化碳和水轉化為能量的光合細菌的能力。近日，通過給這些群體提供一個類似於高層公寓樓的家，一個團隊在這一領域取得了新的進展。這些微小的“納米住房”網格創造了最佳環境，其不僅促進了這些細菌的快速生長而且還將它們的能量收集潛力提升到了新的高度。
光合細菌也被稱為藍藻細菌，也許更熟悉的是藍綠藻，它們可以在所有類型的水中找到，在那裡它們利用陽光來製造自己的食物。它們對這項任務的自然熟練程度激發了許多有發展前景的可再生能源研究途徑，從發電的仿生蘑菇到吸收二氧化碳的藻類燃料生物反應器再到為商業人工光合作用系統提供藍圖的獨立解決方案。
藍藻細菌在像湖面這樣的環境中茁壯成長。它們需要大量的陽光來生長，劍橋大學的一個團隊取得了一項突破，它則是通過試驗更好地滿足這些需求而產生。該團隊要考慮的另一件事是，為了收集它們通過光合作用產生的任何能量，這些細菌需要連接到電極上。通過製作也能促進細菌生長的電極，科學家們有效地試圖讓自己能夠一石二鳥。
領導這項研究的Jenny Zhang博士表示：“就你能從光合作用系統中實際提取多少能量而言，這裡一直存在着一個瓶頸，但沒有人明白這個瓶頸在哪裡。大多數科學家認為瓶頸在生物方面，在細菌方面，但我們發現，一個實質性的瓶頸實際上是在材料方面。”
研究小組使用3D打印技術生產由金屬氧化物納米顆粒製成的電極，這些納米顆粒被排列成密集的支柱組，就像一個小城市。這座城市則是藍藻的宿主，藍藻以極高的效率產生電力，以至於該系統將可從藍藻中提取的能量增加了一個數量級以上。
Zhang說道：“我很驚訝我們能達到我們所做的數字–類似的數字已經被預測了很多年，但這是第一次在實驗中顯示這些數字。藍藻細菌是多功能的化學工廠。我們的方法使我們能在早期挖掘它們的能量轉換途徑，這有助於我們了解它們是如何進行能量轉換的，因此我們可以利用它們的自然途徑進行可再生燃料或化學品生產。”
該方法的另一個優勢是，打印技術可以適應於生產不同高度和規模的結構，這意味着小城市可以被定製，從而潛在地適應一系列的應用。因此，這項研究不僅顯示了如何更好地捕捉來自這種形式的光合作用的能量，而且圍繞電極設計開闢了新的可能性。
Zhang指出：“這些電極有很好的光處理性能，就像一個有很多窗戶的高層公寓。藍藻細菌需要一些它們可以附着的東西並跟它們的鄰居形成一個社區。我們的電極允許在大量的表面積和大量的光線之間取得平衡–就像一座玻璃摩天大樓。”