Ансамбль биомолекул – нанобатарейка

Возможно, в ближайшем будущем громоздкие аккумуляторы уступят место крошечным биобатарейкам.
Фото Александра Шалгина (НГ-фото)

Производители ноутбуков, сотовых телефонов и других мультимедийных устройств жалуются: «Батарейки у них очень громоздкие и тяжелые». Конструкторы же нанороботов мечтают о микро- и нанобатарейках. Наноинженеры вообще мечтают о том, чтобы их детища обходились вовсе без батареек, добывая энергию непосредственно из окружающей среды.

Так же, как, например, поступают живые клетки растений и животных, которые не на уровне высоких температур, как на тепловых и атомных станциях, а на низком, биологическом уровне, но с очень высоким кпд, преобразуют поступающую извне, возобновляемую (солнечную или тепловую) энергию окружающей среды в необходимый им для жизнедеятельности электрический ток. Раскрытие механизма такой биогенерации электроэнергии – одна из главных в настоящее время фундаментальных и прикладных проблем биоэнергетики и биологии.

Все участвующие в генерации электроэнергии белковые комплексы живых клеток наноразмерные – их диаметр 10^–100 нанометров. Поэтому правомерен новый нанофизический подход к исследованию процесса генерации электроэнергии нанобиоструктурами митохондрий животных клеток. На его основе мною были впервые разработаны и опубликованы нанобиофизическая (2002 год), а на ее основе – математическая и нанофизическая (2004 год) модели механизма этого процесса, который обеспечивает эффективный и направленный перенос (движение) электронов нанобиоструктурами клеток.

В основе нанобиофизической модели – представления о генерирующих электрический ток структурах клетки как о проводящих (переносящих) электроны молекулярных наноструктурах (кластерах), замкнутых на нанобиомембраны (аккумуляторы энергии), в которые встроены асимметричные потенциальные, энергетические нанобарьеры (периодический нанобарьер). Как показывают эксперименты, именно на этих нанобарьерах, встроенных в проводящие нанобиоструктуры цепи транспорта электронов, происходит разделение зарядов («+» и «–»), их накопление (концентрация), а затем перенос электронами энергии без каких-либо потерь, то есть с высокой квантовой и энергетической эффективностью. Поэтому такие белковые наноструктуры рассматриваются в качестве прообраза новых систем наноэнергетики.

Только нанофизические знания о свойствах твердотельных (наноэлектроника) и мягких (молекулярная электроника) наноструктур позволяют, опираясь также на волновую механику или новую статистическую физику, создать на основе нанобиофизической математическую и нанофизическую модели процесса биогенерации электроэнергии.

Используя наноструктуры с различными физическими свойствами (например, проводящие или полупроводниковые нанотрубки), предлагается сконструировать замкнутую схему из элементов наноэлектроники или молекулярной электроники, воспроизводящую в основе своей процесс биогенерации электроэнергии живой клеткой.

Для разделения зарядов на асимметричных нанобарьерах схемы используются: волновые свойства электронов и их способность к туннелированию на нанобарьерах (описывается уравнением Шредингера) или же флуктуации тепловых колебаний атомов и их электронов, в результате чего возрастает вероятность (определяется с помощью уравнения Цивинского-Больцмана) получения ими дополнительной энергии (возбуждения) для преодоления все тех же нанобарьеров. В результате за счет тепловой энергии окружающей среды обычное хаотическое движение электронов в моделирующих биогенерацию электроэнергии наноструктурах предлагаемой схемы наноэлектроники (или молекулярной электроники) преобразуется в однонаправленное – в электрический ток. При отсутствии рабочей нагрузки такой наногенератор электроэнергии будет работать на зарядку встроенного в схему наноаккумулятора.

Из подобных нанобатарей, как из кубиков, можно будет собирать источники электроэнергии требуемой мощности и использовать их не только в сотовых телефонах, ноутбуках и других мультимедийных устройствах, но и, возможно, в будущем для освещения и отопления квартир и домов.

Перспективность этих теоретических и прикладных научных разработок приходится, к сожалению, оценивать, используя экспериментальные данные исследований зарубежных наноэнергетиков. Например, в Реховоте (Израиль) в Институте Вейцмана под руководством профессора Эхуда Шапиро создан и запатентован нанокомпьютер, энергию для работы которого поставляет схема из молекулярной электроники, состоящей из ДНК, РНК и некоторых биомолекул – ферментов. Профессор Лозаннского технологического университета (Швейцария) Михаэль Гретцель создал «элемент Гретцеля» – нанобатарейку, преобразующую солнечный свет в электроэнергию.

У нас же Федеральная целевая программа развития нанотехнологий только создается, отсутствуют финансирование и необходимые для исследований приборы и оборудование. Мы заложили основы наноэнергетики, моделирующей биоэнергетику животной клетки. Для получения же конкретных результатов потребуются годы исследовательской работы многих ученых. Мы только в самом начале пути, но я не сомневаюсь, что этот путь приведет к успеху новых решений в наноэнергетике.