Silicium en zon

In zijn kantoor aan het strand met uitzicht op het kanaal van Santa Barbara, pakt Daniel Morse voorzichtig een van zijn gewaardeerde exemplaren uit. Een ingewikkeld raster van glanzende glasvezels, het ziet eruit als een stuk abstracte kunst of een gedetailleerd architectonisch model van een wolkenkrabber. Maar het is eigenlijk het skelet van een van de meest primitieve meercellige organismen die nog bestaan: een soort zeespons die algemeen bekend staat als de bloemenmand van Venus. Morse, een moleculair bioloog aan de Universiteit van Californië, Santa Barbara, wil weten hoe zo'n eenvoudig wezen zo'n gecompliceerde structuur kan samenstellen. En dan wil hij die kennis aan het werk zetten, zijn eigen exotische constructies maken.

Daniel Morse heeft een soort zeespons die algemeen bekend staat als de bloemenmand van Venus. (Tegoed: Gregg Segal)

De nederige spons heeft een opmerkelijke oplossing bedacht voor een probleem dat 's werelds beste chemici en materiaalwetenschappers al tientallen jaren bezighoudt: hoe kunnen eenvoudige anorganische materialen, zoals silicium, zichzelf assembleren tot complexe nano- en microstructuren. Momenteel betekent het maken van een apparaat op microschaal, bijvoorbeeld een transistor voor een microchip, het fysiek uit een plak silicium snijden; het is een duur en veeleisend proces. Maar de natuur heeft veel eenvoudigere manieren om even complexe microstructuren te maken met niets anders dan chemie, waarbij verbindingen in precies de juiste combinatie worden gemengd. De methode van de spons is bijzonder elegant. Zittend op de zeebodem duizenden meters onder het oppervlak van de westelijke Stille Oceaan, extraheert de spons kiezelzuur uit het omringende zeewater. Het zet het zuur om in siliciumdioxide – silica – dat, in een opmerkelijke prestatie van biologische engineering, het vervolgens assembleert tot een nauwkeurige, driedimensionale structuur die door elk lid van zijn soort tot in detail wordt gereproduceerd.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van november 2006

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Wat de prestatie van de sponzen zo indrukwekkend maakt, zegt Morse, is dat het niet de giftige chemicaliën en hoge temperaturen vereist die nodig zijn voor de menselijke vervaardiging van complexe anorganische structuren. De spons, zegt hij, kan ingewikkelde structuren veel efficiënter samenstellen dan ingenieurs die met dezelfde halfgeleidermaterialen werken.

Dit primitieve wezen en een aantal andere mariene organismen zijn een inspiratie geworden voor onderzoekers die hopen eenvoudigere en goedkopere manieren te vinden om anorganische structuren, zoals halfgeleiders, te bouwen voor gebruik in computermicrochips, geavanceerde materialen en zonnecellen. Het doel is om silicium en andere anorganische stoffen zelf te laten assembleren tot werkende elektronica op dezelfde manier als de spons silica in complexe vormen assembleert. (zie Anderen in Bio-geïnspireerde materialen ,) . Energie-intensieve, miljarden dollars kostende fabricagefaciliteiten voor halfgeleiders zouden dan kunnen worden vervangen door vaten met reagerende verbindingen. Maar hoewel praktische industriële processen nog ver weg zijn, beginnen wetenschappers te begrijpen hoe sponzen en andere zeedieren hun micro-engineering wonderen verrichten.

Morse en zijn team gebruiken bijvoorbeeld al biologische trucs die ze van de spons hebben geleerd om nieuwe vormen van halfgeleiders te maken met intrigerende elektronische eigenschappen, waaronder het vermogen om licht om te zetten in elektriciteit - eigenschappen die nuttig kunnen zijn bij het maken van goedkopere, efficiëntere zonnecellen . Zijn groep, zegt Morse, bouwt constructies die nog nooit eerder waren bereikt.

Begin vanaf nul

De zeewatertanks buiten het laboratorium van Morse wemelen van de kleurrijke zeesterren en corallimorpharians, exotische wezens die lijken op zeeanemonen. Maar Morse en James Weaver, een postdoc in het lab, zijn meer geïnteresseerd in een onopvallend uitziende roestkleurige klodder: een oranje puffball-spons, een soort spons die normaal gesproken in rotsspleten net voor de kust van Santa Barbara leeft. Als de bloemenmand van Venus de glazen kathedraal van sponzen is, is dit de strohut. Het vormeloze wezen blijkt helemaal geen skelet te hebben; maar zodra de onderzoekers het levende materiaal van de buitenkant hebben opgelost, blijven er een handvol kleine glazen naalden over, elk slechts twee millimeter lang en dunner dan een mensenhaar.

Hoewel Morse uiteindelijk complexere sponsskeletten wil begrijpen, zijn deze eenvoudige naalden een goed begin. Wetenschappers weten al lang dat de kern van de glazen naalden strengen eiwitten zijn, maar niemand begreep wat ze deden of hoe ze verband hielden met de constructie van de naalden. Dus begonnen Morse en zijn collega's met het isoleren van de genetische code voor een van de eiwitten - die ze als familie silicateïnen gingen noemen - en haalden hun resultaten door een enorme database met bekende eiwitten. Ze verwachtten geen match, maar ze vonden er meteen een. Het eiwit leek op een protease, een enzym dat in de menselijke darm wordt aangetroffen en dat betrokken is bij de afbraak en vertering van voedsel.

Het was heel bizar, zegt Weaver. Waarom heeft het eiwit dat de vorming van het glasachtige skelet van een spons vormt, iets te maken met een protease? De onderzoekers begonnen te vermoeden dat de silicateïnen meer deden dan alleen als passieve mal dienen. Ze ontdekten inderdaad dat, in tegenstelling tot enig ander enzym dat eerder is onderzocht, een silicateïne dubbel werk kan doen. Het produceert actief bouwmaterialen zoals siliciumoxide - in zekere zin door verbindingen in het zeewater te verteren - en zorgt er vervolgens voor dat de materialen langs de lengte op één lijn komen te liggen om het naaldvormige glas van het sponsskelet te vormen. Een dergelijk enzym was volgens Morse niet ontdekt in alle onderzoeken naar biomineralisatie, die al een paar honderd jaar aan de gang zijn.

Morse redeneerde dat als silicateïnen zo goed waren in het produceren van siliciumoxide, ze misschien ook in staat zouden zijn om de soorten metaaloxiden te produceren die goede halfgeleiders vormen in elektronica en in sommige soorten zonnecellen. Hij had gelijk. Bij 16 graden Celsius, de temperatuur waarbij de spons leeft in het koele water vlak voor de kust van ons laboratorium, zegt Morse, zal dit enzym de vorming katalyseren en de vorming stabiliseren van kristalvormen van metaaloxidehalfgeleiders die niet conventioneel kunnen worden gemaakt behalve bij zeer hoge temperaturen.

Het resultaat suggereerde een goedkopere manier om halfgeleiders bij lagere temperaturen te maken, maar er was een potentieel probleem: vervuiling. Een bioloog is extatisch als ze een zuiverheid krijgen van pakweg 90 procent. Een chemicus is extatisch als ze een zuiverheid van 99 procent krijgen, zegt Morley Stone, een biochemicus die onderzoek leidt naar biotechnologie en materialen voor de Air Force Research Labs op Wright-Patterson Air Force Base, in de buurt van Dayton, OH. Maar een elektronica-ingenieur of iemand anders die apparaten moet maken - ze willen materialen zien die op zijn minst vijf negens zuiverheid achter zich hebben. Hij voegt eraan toe dat als je deze biologische benaderingen volgt, je vaak interessante dingen kunt kweken en een aantal interessante morfologieën kunt krijgen, maar ze zijn lang niet in de buurt van de zuiverheid van de eindtoestand die je nodig zou hebben in een definitief apparaat.

Morse en zijn collega's wisten dat als ze hoopten halfgeleidermaterialen te maken voor goedkope maar efficiënte zonnecellen, ze waarschijnlijk een chemische synthesetechniek nodig zouden hebben die gebaseerd was op de sponzen maar de rommelige biologie vermeed. Het geheim van de spons, ontdekten ze, was dat chemische amine- en hydroxylgroepen in het enzym het siliciumoxide produceren en op de vereiste manier assembleren. Dat betekende dat alle chemicaliën die een nieuwe synthesetechniek nodig zou hebben, in ammoniak en water te vinden waren. De onderzoekers ontdekten dat door moleculen die de voorlopers van de metaaloxiden bevatten in water te mengen en het mengsel vervolgens bloot te stellen aan ammoniakgas, ze dunne films van zeer kristallijne halfgeleiders konden creëren - materialen die nuttig zijn voor elektronica. Dit is de doorbraak die ons op het terrein van praktisch nut brengt, zegt Morse.

Bovendien hebben de kristallen een complexe nanostructuur die de prestaties van fotovoltaïsche apparaten zou kunnen verbeteren. Nabij het wateroppervlak is de concentratie van ammoniakgas relatief sterk, dus hier begint het halfgeleiderkristal zich te vormen. Naarmate de ammoniak echter langzaam dieper in het water diffundeert, zorgt het ervoor dat kristallen in het mengsel groeien, waardoor een dunne film ontstaat die niet uniform is, maar eerder bestaat uit een netwerk van naalden of platte platen die elk slechts enkele miljardsten van een meter dik zijn. Dat netwerk zou de basis kunnen zijn voor een efficiëntere zonnecel.

Zonnedromen

De zonnecellen van kristallijn silicium die momenteel de fotovoltaïsche markt domineren, zijn duur - zo duur dat de energie die ze produceren meerdere keren zoveel kost als de energie die wordt opgewekt door fossiele brandstoffen. Een reden is de hoge prijs van hun grondstoffen. Silicium is extreem overvloedig op aarde, maar het bestaat niet als een puur element; in plaats daarvan is het verbonden met zuurstof en andere elementen, bijvoorbeeld in zand. Het maken van puur silicium kost veel energie.

Om de kosten van zonnecellen te verlagen, hebben onderzoekers gezocht naar manieren om de hoeveelheid silicium die ze gebruiken te verminderen. Sommigen zijn overgestapt op goedkopere dunne films gemaakt van cadmiumtelluride of koper-indiumdiselenide. Extreem dunne lagen van deze nieuwe halfgeleiders kunnen dezelfde hoeveelheid licht absorberen als dikkere platen kristallijn silicium. De fabricagetechniek van Morse zou een goedkope manier kunnen zijn om zulke dunne films te maken; daarnaast is de nanostructuur die zijn methode oplevert bijzonder geschikt om licht op te vangen en om te zetten in stroom.

Een uitdaging bij het ontwerpen van zonnecellen is ervoor te zorgen dat de elektronen die losraken wanneer licht een halfgeleider raakt, een stroom creëren. Wanneer een foton een zonnecelmateriaal raakt, is het resultaat zowel een vrij elektron als zijn positieve tegenhanger, een gat genaamd. Als deze snel uit elkaar kunnen worden getrokken naar tegenoverliggende elektroden, ontstaat er een elektrische stroom. De moeilijkheid om ze te scheiden voordat ze opnieuw combineren en energie dissiperen, aangezien warmte een van de belangrijkste obstakels is voor zonnecellen met een hoger rendement, zegt Aravinda Kini, programmamanager voor onderzoek naar biomoleculaire materialen bij het Amerikaanse ministerie van Energie.

De structuren van Morse zouden deze wegversperring kunnen overwinnen. Het netwerk van kristallijne projecties zou kunnen worden ondergedompeld in een transparante vaste of vloeibare elektrode. Licht zou door de elektrode gaan, waar het door het kristal zou worden geabsorbeerd. Omdat het oppervlak van de gestructureerde dunne film hoog is (in één materiaal, 90 tot 100 keer dat van een traditionele dunne film), zouden veel van de door het licht gegenereerde elektron-gatparen zich in de buurt van het elektrode-interface bevinden; als resultaat zouden ze snel kunnen scheiden, waarbij één ladingsdrager in de transparante elektrode beweegt en de andere drager door het kristal reist om bij de tegenoverliggende elektrode naar buiten te gaan.

Morse en collega's hebben al meer dan 30 soorten dunne halfgeleiderfilms gemaakt en hun fotovoltaïsche eigenschappen getest. Ze zijn nu bezig om de halfgeleiders op te nemen in functionele zonnecellen. Tegelijkertijd blijft Morse nieuwe biologisch geïnspireerde methoden ontwikkelen voor het assembleren van materialen, met het oog op aanvullende toepassingen, waaronder halfgeleiderapparaten voor veiligere batterijen met een hogere vermogensdichtheid en kleinere geheugenchips; hij is ook geïnteresseerd in het maken van gelamineerde vezels voor ultrasterke bouwmaterialen.

Maar hoe opgewonden hij ook is door de mogelijke toepassingen van zijn werk, Morse blijft in hart en nieren een moleculair bioloog. Zelfs als hij vertelt hoe zijn onderzoek kan leiden tot betere zonnecellen, staart hij uit het raam naar de dolfijnen die in de haven dartelen. En hij is nog steeds toegewijd aan het begrijpen van het mechanisme achter de complexiteit van de spons. Opnieuw onderzoekt hij het prachtige skelet van de bloemenmand van Venus, hoewel hij het ongetwijfeld duizenden keren heeft gezien. Deze is gemaakt van glas, door een levend wezen, roept hij uit. Het is ongeloofelijk!

Kevin Bullis is Technologie beoordeling ’s redacteur nanotechnologie en materiaalwetenschap.

Anderen in bio-geïnspireerde materialen

Onderzoeker

Doel

Strategie

Joanna Aizenberg,

Lucent Technologies, Murray Hill, NJ

Sterke, zelfherstellende bouwmaterialen en veerkrachtigere optische vezels

Begrijpen hoe sponzen anorganische materialen assembleren

Illhan Aksay,

Princeton
Universiteit

Zelfherstellende materialen en betere biosensoren

Onderzoek naar zeeschelpen en andere biologische systemen

Angela Belcher,

MET

Betere batterijen en geavanceerde materialen voor elektronica, energie en medicijnen

Engineering
virussen om materialen samen te stellen

Samuel I. Stupp,

noordwestelijk
Universiteit

Betere sensoren en zonnecellen

Het gebruik van peptiden
om de vorming van anorganische structuren te sturen

zich verstoppen