在藻類生長池壁上施加小電壓可以防止混濁積聚并允許更多的光合作用發(fā)生。

在提供二氧化碳的透明水箱或管子中生長的藻類可以將溫室氣體轉(zhuǎn)化為其他化合物，例如食品補(bǔ)充劑或燃料。但是這個(gè)過程會(huì)導(dǎo)致藻類在表面上積聚，使它們變得渾濁并降低效率，需要每隔幾周進(jìn)行一次費(fèi)力的清理程序。

麻省理工學(xué)院的研究人員提出了一種簡單而廉價(jià)的技術(shù)，可以大大限制這種結(jié)垢，從而有可能以一種更有效、更經(jīng)濟(jì)的方式將不需要的溫室氣體轉(zhuǎn)化為有用的產(chǎn)品。

關(guān)鍵是在透明容器上涂上可以容納靜電荷的材料，然后在該層上施加非常小的電壓。該系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的測(cè)試中運(yùn)行良好，隨著進(jìn)一步的開發(fā)，可能會(huì)在幾年內(nèi)應(yīng)用于商業(yè)生產(chǎn)。

研究結(jié)果發(fā)表在《功能材料》雜志上，近麻省理工學(xué)院畢業(yè)生Victor Leon PhD ' 23，機(jī)械工程教授Kripa Varanasi，前博士后Baptiste Blanc和本科生Sophia Sonnert的一篇論文中。

瓦拉納西指出，無論減少或消除碳排放的努力多么成功，在未來幾個(gè)世紀(jì)內(nèi)，仍將有過量的溫室氣體留在大氣中，繼續(xù)影響全球氣候?！澳抢镆呀?jīng)有很多二氧化碳，所以我們也必須考慮負(fù)排放技術(shù)，”他說，指的是從空氣或海洋中去除溫室氣體的方法，或者在它們首先被釋放到空氣中之前從它們的來源中去除溫室氣體。

當(dāng)人們想到二氧化碳減排的生物學(xué)方法時(shí)，首先想到的通常是種植或保護(hù)樹木，這確實(shí)是大氣碳的關(guān)鍵“匯”。但還有其他人?！昂Ｑ笤孱惣s占當(dāng)今地球上吸收的全球二氧化碳的50%，”瓦拉納西說。這些藻類的生長速度是陸地植物的 10 到 50 倍，它們可以在僅占陸地植物土地足跡十分之一的池塘或水箱中生長。

更重要的是，藻類本身可以成為有用的產(chǎn)品?！斑@些藻類富含蛋白質(zhì)，維生素和其他營養(yǎng)素，”瓦拉納西說，并指出它們每單位土地使用的營養(yǎng)產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一些傳統(tǒng)農(nóng)作物。

如果附著在煤炭或天然氣發(fā)電廠的煙氣輸出上，藻類不僅可以依靠二氧化碳作為營養(yǎng)來源茁壯成長，而且一些微藻物種還可以消耗這些排放物中存在的相關(guān)氮和硫氧化物?！懊績扇镆谎趸?/span>2，可以生產(chǎn)一公斤藻類，這些藻類可以用作生物燃料，或用于Omega-3或食物，“瓦拉納西說。

Omega-3脂肪酸是一種廣泛使用的食品補(bǔ)充劑，因?yàn)樗鼈兪羌?xì)胞膜和其他組織的重要組成部分，但不能由身體制造，必須從食物中獲得?！皻W米茄3特別有吸引力，因?yàn)樗彩且环N價(jià)值更高的產(chǎn)品，”瓦拉納西說。

大多數(shù)商業(yè)種植的藻類是在淺池塘中培養(yǎng)的，而其他藻類則在稱為光生物反應(yīng)器的透明管中生長。對(duì)于給定數(shù)量的土地，這些管子的產(chǎn)量可以比池塘高 10 到 <> 倍，但它們面臨著一個(gè)主要問題：藻類往往會(huì)積聚在透明的表面上，需要經(jīng)常關(guān)閉整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行清潔，這可能需要與周期的生產(chǎn)部分一樣長的時(shí)間， 從而將總產(chǎn)量減半并增加運(yùn)營成本。

結(jié)垢也限制了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。管子不能太小，因?yàn)榻Y(jié)垢會(huì)開始阻塞水流通過生物反應(yīng)器，并且需要更高的泵送速率。

瓦拉納西和他的團(tuán)隊(duì)決定嘗試?yán)迷孱惣?xì)胞的自然特征來抵御污垢。由于細(xì)胞在其膜表面自然攜帶小的負(fù)電荷，研究小組認(rèn)為靜電排斥可以用來將它們推開。

這個(gè)想法是在容器壁上產(chǎn)生負(fù)電荷，這樣電場(chǎng)迫使藻類細(xì)胞離開壁。要產(chǎn)生這樣的電場(chǎng)，需要一種高性能的介電材料，這是一種具有高“介電常數(shù)”的電絕緣體，可以在較小的電壓下產(chǎn)生較大的表面電荷變化。

“人們以前對(duì)[生物反應(yīng)器]施加電壓所做的工作是導(dǎo)電表面，”Leon解釋說，“但我們?cè)谶@里所做的是專門針對(duì)非導(dǎo)電表面。

他補(bǔ)充說：“如果它是導(dǎo)電的，那么你通過電流，你就有點(diǎn)電擊細(xì)胞。我們?cè)噲D做的是純粹的靜電排斥，所以表面是負(fù)的，細(xì)胞是負(fù)的，所以你會(huì)得到排斥。另一種描述它的方式就像一個(gè)力場(chǎng)，而在細(xì)胞接觸表面并受到電擊之前。

該團(tuán)隊(duì)使用兩種不同的介電材料，二氧化硅（本質(zhì)上是玻璃）和鉿（氧化鉿），這兩種材料在減少結(jié)垢方面都比用于制造光生物反應(yīng)器的傳統(tǒng)塑料更有效。該材料可以應(yīng)用于非常薄的涂層中，厚度僅為10至20納米（十億分之一米），因此幾乎不需要涂覆完整的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)。

“我們?cè)谶@里感到興奮的是，我們能夠證明純粹通過靜電相互作用，我們能夠控制細(xì)胞粘附，”瓦拉納西說?！斑@幾乎就像一個(gè)開關(guān)，能夠做到這一點(diǎn)。

此外，Leon說：“由于我們正在使用這種靜電力，我們并不真正期望它是細(xì)胞特異性的，我們認(rèn)為有可能將其應(yīng)用于藻類以外的其他細(xì)胞。在未來的工作中，我們想嘗試將其用于哺乳動(dòng)物細(xì)胞，細(xì)菌，酵母等。它也可以與其他有價(jià)值的藻類一起使用，如螺旋藻，這些藻類被廣泛用作食品補(bǔ)充劑。

同一系統(tǒng)可用于通過反轉(zhuǎn)電壓來排斥或吸引電池，具體取決于特定應(yīng)用。瓦拉納西建議，代替藻類，類似的設(shè)置可以用于人類細(xì)胞，通過產(chǎn)生一個(gè)可以充電以吸引細(xì)胞進(jìn)入正確配置的支架來產(chǎn)生人造器官。

“我們的研究基本上解決了生物污染這一主要問題，這一直是光生物反應(yīng)器的瓶頸，”他說?！坝辛诉@項(xiàng)技術(shù)，我們現(xiàn)在可以真正發(fā)揮這種系統(tǒng)的全部潛力”，盡管需要進(jìn)一步開發(fā)才能擴(kuò)展到實(shí)用的商業(yè)系統(tǒng)。

至于這多久可以準(zhǔn)備好進(jìn)行廣泛部署，他說，“如果我們獲得合適的資源來推進(jìn)這項(xiàng)工作，我不明白為什么不在三年內(nèi)。

該研究得到了能源公司Eni S.p.A.通過麻省理工學(xué)院能源計(jì)劃的支持。