Silicio e Sole

Nel suo ufficio sulla spiaggia con vista sul canale di Santa Barbara, Daniel Morse scarta con cura uno dei suoi preziosi esemplari. Un intricato reticolo di scintillanti fibre di vetro, sembra un'opera d'arte astratta o un modello architettonico dettagliato di un grattacielo. Ma in realtà è lo scheletro di uno degli organismi multicellulari più primitivi ancora esistenti, una specie di spugna marina comunemente nota come cesto di fiori di Venere. Morse, un biologo molecolare dell'Università della California, Santa Barbara, vuole sapere come una creatura così semplice può assemblare una struttura così complicata. E poi vuole mettere in pratica quella conoscenza, creando sue strutture esotiche.

Daniel Morse tiene in mano una specie di spugna marina comunemente nota come cesto di fiori di Venere. (Credito: Gregg Segal)

L'umile spugna ha trovato una soluzione straordinaria a un problema che ha sconcertato per decenni i migliori chimici e scienziati dei materiali del mondo: come ottenere semplici materiali inorganici, come il silicio, per assemblarsi in complesse nano e microstrutture. Attualmente, realizzare un dispositivo su microscala, ad esempio un transistor per un microchip, significa ritagliarlo fisicamente da una lastra di silicio; è un processo costoso e impegnativo. Ma la natura ha modi molto più semplici per creare microstrutture ugualmente complesse usando nient'altro che la chimica, mescolando i composti nella giusta combinazione. Il metodo della spugna è particolarmente elegante. Seduta sul fondo del mare a migliaia di metri sotto la superficie del Pacifico occidentale, la spugna estrae l'acido silicico dall'acqua di mare circostante. Converte l'acido in biossido di silicio - silice - che, in una straordinaria impresa di ingegneria biologica, viene quindi assemblato in una precisa struttura tridimensionale che viene riprodotta nei minimi dettagli da ogni membro della sua specie.

Questa storia faceva parte del nostro numero di novembre 2006

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Ciò che rende la realizzazione delle spugne così impressionante, afferma Morse, è che non richiede le sostanze chimiche tossiche e le alte temperature necessarie per la produzione umana di complesse strutture inorganiche. La spugna, dice, può assemblare strutture complesse in modo molto più efficiente degli ingegneri che lavorano con gli stessi materiali semiconduttori.

Questa creatura primitiva e una serie di altri organismi marini sono diventati fonte di ispirazione per i ricercatori che sperano di trovare modi più semplici ed economici per costruire strutture inorganiche, come dispositivi a semiconduttore, da utilizzare in microchip per computer, materiali avanzati e celle solari. L'obiettivo è fare in modo che il silicio e altri inorganici si autoassemblano nell'elettronica funzionante nello stesso modo in cui la spugna assembla la silice in forme complesse (vedi Altri in Materiali di ispirazione biologica ,) . Gli impianti di fabbricazione di semiconduttori ad alta intensità energetica, da miliardi di dollari, potrebbero quindi essere sostituiti da vasche di composti reagenti. Ma mentre i processi industriali pratici sono ancora lontani, gli scienziati stanno arrivando a capire come le spugne e altre creature marine compiono i loro miracoli di microingegneria.

Morse e il suo team, ad esempio, stanno già utilizzando trucchi biologici appresi dalla spugna per creare nuove forme di semiconduttori con proprietà elettroniche intriganti, inclusa la capacità di convertire la luce in elettricità, proprietà che potrebbero essere utili per realizzare celle solari più economiche ed efficienti. . Il suo gruppo, dice Morse, sta costruendo strutture che non erano mai state realizzate prima.

Iniziare da zero

Le vasche di acqua di mare fuori dal laboratorio di Morse pullulano di stelle marine colorate e corallimorfari, creature esotiche simili agli anemoni di mare. Ma Morse e James Weaver, un postdoc in laboratorio, sono più interessati a una macchia color ruggine dall'aspetto insignificante: una spugna a palloncino arancione, un tipo di spugna che normalmente vive nelle fessure della roccia appena al largo della costa di Santa Barbara. Se il cesto di fiori di Venere è la cattedrale di vetro delle spugne, questa è la capanna di paglia. La creatura informe sembra non avere affatto uno scheletro; ma una volta che i ricercatori hanno dissolto il materiale vivente del suo esterno, rimangono una manciata di minuscoli aghi di vetro, ciascuno lungo solo due millimetri e più sottile di un capello umano.

Sebbene Morse alla fine voglia capire gli scheletri di spugna che sono più complessi, questi semplici aghi sono un buon punto di partenza. Gli scienziati sanno da tempo che al centro degli aghi di vetro ci sono filamenti di proteine, ma nessuno ha capito cosa facessero o come si collegassero alla costruzione degli aghi. Così Morse e i suoi colleghi hanno iniziato isolando il codice genetico di una delle proteine, che come famiglia chiamarono silicateine, e hanno analizzato i loro risultati attraverso un enorme database di proteine ​​conosciute. Non si aspettavano una partita, ma l'hanno trovata subito. La proteina era simile a una proteasi, un enzima presente nell'intestino umano coinvolto nella scomposizione e nella digestione del cibo.

È stato molto bizzarro, dice Weaver. Perché la proteina che modella la formazione dello scheletro vetroso di una spugna ha qualcosa a che fare con una proteasi? I ricercatori hanno iniziato a sospettare che le silicateine ​​facessero di più che fungere semplicemente da stampo passivo. In effetti, hanno scoperto che, a differenza di qualsiasi altro enzima precedentemente studiato, una silicateina può svolgere un doppio compito. Produce attivamente materiali da costruzione come l'ossido di silicio, in un certo senso, digerendo i composti nell'acqua di mare, e quindi fa sì che i materiali si allineino lungo la sua lunghezza per formare il vetro a forma di ago dello scheletro di spugna. Nessun enzima del genere era stato scoperto, dice Morse, in tutti gli studi sulla biomineralizzazione, che sono andati avanti per un paio di centinaia di anni.

Morse pensava che se le silicateine ​​fossero così brave a produrre ossido di silicio, potrebbero anche essere in grado di produrre i tipi di ossidi metallici che fanno buoni semiconduttori nell'elettronica e in alcuni tipi di celle solari. Lui aveva ragione. A 16 gradi Celsius, la temperatura alla quale la spugna vive nell'acqua fresca al largo del nostro laboratorio, dice Morse, questo enzima catalizzerà la formazione e stabilizzerà la formazione di forme cristalline di semiconduttori di ossido di metallo che non possono essere realizzati in modo convenzionale tranne che a temperature molto elevate.

Il risultato suggeriva un modo meno costoso per produrre semiconduttori a temperature più basse, ma c'era un potenziale problema: la contaminazione. Un biologo è estasiato quando ottiene una purezza, diciamo, del 90%. Un chimico è estasiato quando ottiene una purezza del 99%, afferma Morley Stone, un biochimico che dirige la ricerca in biotecnologia e materiali per i laboratori di ricerca dell'aeronautica presso la base aeronautica di Wright-Patterson, vicino a Dayton, OH. Ma un ingegnere elettronico o qualcun altro che ha bisogno di realizzare dispositivi, vogliono vedere materiali che hanno almeno cinque nove di purezza dietro di loro. Aggiunge, spesso, quando si adottano questi approcci biologici, è possibile coltivare alcune cose interessanti e ottenere alcune morfologie interessanti, ma non sono affatto vicini alla purezza dello stato finale di cui avresti bisogno in un dispositivo finale.

Morse e i suoi colleghi sapevano che se speravano di realizzare materiali semiconduttori per celle solari economiche ma efficienti, probabilmente avrebbero avuto bisogno di una tecnica di sintesi chimica che prendesse spunto dalle spugne ma evitasse la biologia disordinata. Il segreto della spugna, hanno scoperto, era che i gruppi chimici amminici e idrossilici nell'enzima producono l'ossido di silicio e lo assemblano nel modo richiesto. Ciò significava che tutte le sostanze chimiche richieste da una nuova tecnica di sintesi potevano essere trovate nell'ammoniaca e nell'acqua. I ricercatori hanno scoperto che mescolando molecole contenenti i precursori degli ossidi metallici in acqua e quindi esponendo la miscela al gas di ammoniaca, potevano creare film sottili di semiconduttori altamente cristallini, materiali utili per l'elettronica. Questa è la svolta che ci porta nel dominio dell'utilità pratica, dice Morse.

Inoltre, i cristalli hanno una complessa nanostruttura che potrebbe migliorare le prestazioni dei dispositivi fotovoltaici. Vicino alla superficie dell'acqua, la concentrazione di gas di ammoniaca è relativamente forte, quindi è qui che inizia a formarsi il cristallo semiconduttore. Tuttavia, quando l'ammoniaca si diffonde lentamente più in profondità nell'acqua, fa sì che i cristalli crescano nella miscela, producendo un film sottile che non è uniforme, ma piuttosto comprende una rete di aghi o piastre piatte ciascuna spessa solo pochi miliardesimi di metro. Quella rete potrebbe essere la base per una cella solare più efficiente.

Sogni Solari

Le celle solari in silicio cristallino che attualmente dominano il mercato fotovoltaico sono costose, così costose che l'energia che producono costa parecchie volte di più dell'energia generata dai combustibili fossili. Uno dei motivi è il prezzo elevato delle loro materie prime. Il silicio è estremamente abbondante sulla terra, ma non esiste come elemento puro; invece, è legato all'ossigeno e ad altri elementi, ad esempio nella sabbia. La produzione di silicio puro richiede molta energia.

Per ridurre i costi delle celle solari, i ricercatori hanno cercato modi per ridurre la quantità di silicio che utilizzano. Alcuni si sono rivolti a film sottili meno costosi realizzati con tellururo di cadmio o diseleniuro di rame e indio. Strati estremamente sottili di questi nuovi semiconduttori possono assorbire la stessa quantità di luce delle lastre più spesse di silicio cristallino. La tecnica di fabbricazione di Morse potrebbe essere un modo economico per realizzare film così sottili; inoltre, la nanostruttura che il suo metodo produce è particolarmente adatta per assorbire la luce e convertirla in energia.

Una sfida nella progettazione delle celle solari è assicurarsi che gli elettroni spostati quando la luce colpisce un semiconduttore creino una corrente. Quando un fotone colpisce un materiale della cella solare, il risultato è sia un elettrone libero che la sua controparte positiva, chiamata buco. Se questi possono essere staccati rapidamente agli elettrodi opposti, ne risulta una corrente elettrica. Tuttavia, la difficoltà di separarli prima che si ricombinino e disperdano l'energia sotto forma di calore è uno dei principali ostacoli alle celle solari ad alta efficienza, afferma Aravinda Kini, responsabile del programma per la ricerca sui materiali biomolecolari presso il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

Le strutture di Morse potrebbero superare questo ostacolo. La rete di proiezioni cristalline potrebbe essere immersa in un elettrodo trasparente solido o liquido. La luce passerebbe attraverso l'elettrodo, dove verrebbe assorbita dal cristallo. Poiché l'area superficiale del film sottile strutturato è elevata (in un materiale, da 90 a 100 volte quella di un film sottile tradizionale), molte delle coppie elettrone-lacuna generate dalla luce sarebbero vicine all'interfaccia dell'elettrodo; di conseguenza, potrebbero separarsi rapidamente, con un vettore di carica che si sposta nell'elettrodo trasparente e l'altro vettore che viaggia attraverso il cristallo per uscire dall'elettrodo opposto.

Morse e colleghi hanno già realizzato più di 30 tipi di film sottili di semiconduttori e testato le loro proprietà fotovoltaiche. Ora stanno lavorando per incorporare i semiconduttori in celle solari funzionali. Allo stesso tempo, Morse continua a sviluppare nuovi metodi biologicamente ispirati per l'assemblaggio di materiali, con un occhio ad applicazioni aggiuntive, inclusi dispositivi a semiconduttore per batterie più sicure e ad alta densità di potenza e chip di memoria più piccoli; è anche interessato alla creazione di fibre laminate per materiali da costruzione ultraresistenti.

Ma per quanto eccitato dalle potenziali applicazioni del suo lavoro, Morse rimane nel cuore un biologo molecolare. Anche mentre parla di come la sua ricerca potrebbe portare a migliori celle solari, guarda fuori dalla finestra i delfini che si divertono nel porto. Ed è ancora dedicato alla comprensione del meccanismo dietro la complessità della spugna. Ancora una volta esamina lo squisito scheletro del cesto di fiori di Venere, anche se senza dubbio l'ha visto migliaia di volte. Questo è stato fatto di vetro, da una creatura vivente, esclama. È incredibile!

Kevin Bullis è Revisione della tecnologia editor di nanotecnologie e scienze dei materiali.

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