Silizium und Sonne

In seinem Büro am Strand mit Blick auf den Santa Barbara-Kanal packt Daniel Morse sorgfältig eines seiner wertvollen Exemplare aus. Ein filigranes Gitterwerk aus schimmernden Glasfasern, das wie ein abstraktes Kunstwerk oder ein detailliertes Architekturmodell eines Wolkenkratzers wirkt. Aber es ist tatsächlich das Skelett eines der primitivsten mehrzelligen Organismen, die es noch gibt – einer Art Meeresschwamm, die allgemein als Blumenkorb der Venus bekannt ist. Morse, Molekularbiologe an der University of California, Santa Barbara, möchte wissen, wie ein so einfaches Wesen eine so komplizierte Struktur zusammenbauen kann. Und dann will er dieses Wissen anwenden, um seine eigenen exotischen Strukturen zu schaffen.

Daniel Morse hält eine Art Meeresschwamm, die allgemein als Blumenkorb der Venus bekannt ist. (Bildnachweis: Gregg Segal)

Der bescheidene Schwamm hat eine bemerkenswerte Lösung für ein Problem gefunden, das die weltbesten Chemiker und Materialwissenschaftler seit Jahrzehnten rätselt: Wie man einfache anorganische Materialien wie Silizium dazu bringt, sich zu komplexen Nano- und Mikrostrukturen zusammenzusetzen. Derzeit bedeutet die Herstellung eines Mikrobauelements – beispielsweise eines Transistors für einen Mikrochip – das physikalische Ausschneiden aus einer Siliziumplatte; es ist ein teurer und anspruchsvoller Prozess. Aber die Natur hat viel einfachere Möglichkeiten, ebenso komplexe Mikrostrukturen mit nichts als Chemie herzustellen – indem man Verbindungen in genau der richtigen Kombination mischt. Besonders elegant ist die Methode des Schwamms. Der Schwamm sitzt auf dem Meeresboden Tausende von Metern unter der Oberfläche des Westpazifiks und extrahiert Kieselsäure aus dem umgebenden Meerwasser. Es wandelt die Säure in Siliziumdioxid – Siliziumdioxid – um, das es in einer bemerkenswerten Meisterleistung biologischer Technik dann zu einer präzisen, dreidimensionalen Struktur zusammenfügt, die von jedem Mitglied seiner Art bis ins kleinste Detail reproduziert wird.



Der neue Prototyp von Philanthropy

Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom November 2006

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Was die Leistung der Schwämme so beeindruckend macht, sagt Morse, ist, dass sie keine giftigen Chemikalien und hohen Temperaturen benötigen, die für die menschliche Herstellung komplexer anorganischer Strukturen erforderlich sind. Der Schwamm, sagt er, könne komplizierte Strukturen weitaus effizienter zusammenbauen als Ingenieure, die mit denselben Halbleitermaterialien arbeiten.

Diese primitive Kreatur und eine Reihe anderer Meeresorganismen sind zu einer Inspiration für Forscher geworden, die hoffen, einfachere und kostengünstigere Wege zu finden, um anorganische Strukturen wie Halbleiterbauelemente für den Einsatz in Computer-Mikrochips, fortschrittlichen Materialien und Solarzellen zu bauen. Das Ziel besteht darin, Silizium und andere anorganische Stoffe zu einer funktionierenden Elektronik zusammenzusetzen, so wie der Schwamm Siliziumdioxid zu komplexen Formen zusammenfügt (siehe Andere in Bio-inspirierte Materialien,) . Energieintensive, milliardenschwere Halbleiterfabriken könnten dann durch Bottiche mit reagierenden Verbindungen ersetzt werden. Aber während praktische industrielle Prozesse noch in weiter Ferne liegen, beginnen Wissenschaftler zu verstehen, wie Schwämme und andere Meeresbewohner ihre mikrotechnischen Wunder vollbringen.

Morse und sein Team zum Beispiel verwenden bereits biologische Tricks, die sie aus dem Schwamm gelernt haben, um neue Formen von Halbleitern mit faszinierenden elektronischen Eigenschaften herzustellen, einschließlich der Fähigkeit, Licht in Elektrizität umzuwandeln – Eigenschaften, die bei der Herstellung billigerer und effizienterer Solarzellen nützlich sein könnten . Seine Gruppe, sagt Morse, baut Strukturen auf, die noch nie dagewesen sind.

Von vorne beginnen

In den Meerwassertanks vor Morses Labor wimmelt es nur so von bunten Seesternen und Korallimorpharien, exotischen Kreaturen, die Seeanemonen ähneln. Morse und James Weaver, ein Postdoc im Labor, interessieren sich jedoch eher für einen unauffällig aussehenden rostfarbenen Klecks: einen orangefarbenen Puffball-Schwamm, eine Schwammart, die normalerweise in Felsspalten vor der Küste von Santa Barbara lebt. Wenn der Blumenkorb der Venus die gläserne Kathedrale der Schwämme ist, dann ist dies die Strohhütte. Die formlose Kreatur scheint überhaupt kein Skelett zu haben; Aber nachdem die Forscher das lebendige Material von seinem Äußeren weggelöst haben, bleiben eine Handvoll winziger Glasnadeln übrig, jede nur zwei Millimeter lang und dünner als ein menschliches Haar.

Obwohl Morse letztendlich komplexere Schwammskelette verstehen möchte, sind diese einfachen Nadeln ein guter Ausgangspunkt. Wissenschaftler wissen seit langem, dass sich im Kern der Glasnadeln Proteinstränge befinden, aber niemand hat verstanden, was sie taten oder wie sie mit der Konstruktion der Nadeln zusammenhingen. Also begannen Morse und seine Kollegen damit, den genetischen Code für eines der Proteine ​​zu isolieren – das sie als Familie Silicateine ​​nannten – und ließen ihre Ergebnisse durch eine riesige Datenbank bekannter Proteine ​​laufen. Sie erwarteten keine Übereinstimmung, aber sie fanden eine – sofort. Das Protein ähnelte einer Protease, einem Enzym, das im menschlichen Darm vorkommt und am Abbau und der Verdauung von Nahrung beteiligt ist.

Es war sehr bizarr, sagt Weaver. Warum hat das Protein, das die Bildung des glasigen Skeletts eines Schwamms steuert, etwas mit einer Protease zu tun? Die Forscher begannen zu vermuten, dass die Silicateine ​​nicht nur als passives Templat dienen. Tatsächlich fanden sie heraus, dass ein Silicatein im Gegensatz zu jedem anderen zuvor untersuchten Enzym eine doppelte Aufgabe erfüllen kann. Es produziert aktiv Baustoffe wie Siliziumoxid – gewissermaßen durch den Abbau von Verbindungen im Meerwasser – und bewirkt dann, dass sich die Materialien der Länge nach zum nadelförmigen Glas des Schwammskeletts aufreihen. Bei all den Studien zur Biomineralisation, die seit einigen hundert Jahren andauern, sei kein solches Enzym entdeckt worden, sagt Morse.

Morse argumentierte, dass Silicateine, wenn sie so gut bei der Herstellung von Siliziumoxid wären, möglicherweise auch in der Lage wären, die Arten von Metalloxiden herzustellen, die gute Halbleiter in der Elektronik und in einigen Arten von Solarzellen ergeben. Er hatte recht. Bei 16 Grad Celsius, der Temperatur, bei der der Schwamm im kühlen Wasser direkt vor unserem Labor lebt, sagt Morse, wird dieses Enzym die Bildung von Kristallformen von Metalloxid-Halbleitern katalysieren und stabilisieren, die konventionell nicht hergestellt werden können außer bei sehr hohen Temperaturen.

Das Ergebnis deutete auf einen kostengünstigeren Weg hin, Halbleiter bei niedrigeren Temperaturen herzustellen, aber es gab ein potenzielles Problem: Kontamination. Ein Biologe ist begeistert, wenn er eine Reinheit von, sagen wir, 90 Prozent erreicht. Ein Chemiker ist begeistert, wenn er eine Reinheit von 99 Prozent erreicht, sagt Morley Stone, ein Biochemiker, der die Forschung in Biotechnologie und Materialien für die Air Force Research Labs auf der Wright-Patterson Air Force Base in der Nähe von Dayton, Ohio, leitet. Aber ein Elektroniker oder jemand anderes, der Geräte herstellen muss – sie möchten Materialien sehen, die mindestens fünf Neunen Reinheit hinter sich haben. Er fügt hinzu: Wenn Sie diese biologischen Ansätze verfolgen, können Sie oft einige interessante Dinge anbauen und einige interessante Morphologien erhalten, aber sie sind bei weitem nicht an der Endzustandsreinheit, die Sie in einem endgültigen Gerät benötigen würden.

Morse und seine Kollegen wussten, dass sie, wenn sie hofften, Halbleitermaterialien für billige, aber effiziente Solarzellen herzustellen, wahrscheinlich eine chemische Synthesetechnik benötigen würden, die sich an den Schwämmen orientiert, aber die unordentliche Biologie vermeidet. Das Geheimnis des Schwamms bestand darin, dass chemische Amin- und Hydroxylgruppen im Enzym das Siliziumoxid produzieren und in der erforderlichen Weise zusammenbauen. Das bedeutete, dass alle Chemikalien, die eine neue Synthesetechnik benötigt, in Ammoniak und Wasser zu finden sind. Die Forscher fanden heraus, dass durch das Mischen von Molekülen, die die Vorläufer der Metalloxide enthalten, in Wasser und dann das Gemisch Ammoniakgas ausgesetzt werden, dünne Filme aus hochkristallinen Halbleitern erzeugt werden können – Materialien, die für die Elektronik nützlich sind. Dies ist der Durchbruch, der uns in den Bereich der praktischen Nützlichkeit bringt, sagt Morse.

Darüber hinaus weisen die Kristalle eine komplexe Nanostruktur auf, die die Leistung photovoltaischer Geräte verbessern könnte. In der Nähe der Wasseroberfläche ist die Konzentration von Ammoniakgas relativ hoch, daher beginnt sich hier der Halbleiterkristall zu bilden. Wenn das Ammoniak jedoch langsam tiefer in das Wasser diffundiert, wachsen Kristalle in die Mischung hinein und erzeugen einen dünnen Film, der nicht gleichmäßig ist, sondern aus einem nur wenige Milliardstel Meter dicken Netzwerk aus Nadeln oder flachen Platten besteht. Dieses Netzwerk könnte die Basis für eine effizientere Solarzelle sein.

Sonnenträume

Die derzeit den Photovoltaik-Markt dominierenden kristallinen Silizium-Solarzellen sind teuer – so teuer, dass die von ihnen erzeugte Energie ein Vielfaches der Energie aus fossilen Brennstoffen kostet. Ein Grund ist der hohe Preis ihrer Rohstoffe. Silizium ist auf der Erde extrem reichlich vorhanden, aber es existiert nicht als reines Element; Stattdessen ist es mit Sauerstoff und anderen Elementen verbunden – zum Beispiel in Sand. Die Herstellung von reinem Silizium erfordert viel Energie.

Um die Kosten von Solarzellen zu senken, haben Forscher nach Möglichkeiten gesucht, den Siliziumverbrauch zu reduzieren. Einige haben sich weniger teuren Dünnschichten aus Cadmiumtellurid oder Kupfer-Indium-Diselenid zugewandt. Extrem dünne Schichten dieser neuen Halbleiter können genauso viel Licht absorbieren wie dickere Platten aus kristallinem Silizium. Die Herstellungstechnik von Morse könnte eine kostengünstige Möglichkeit sein, solche dünnen Filme herzustellen; zudem ist die mit seiner Methode erzeugte Nanostruktur besonders gut geeignet, um Licht zu absorbieren und in Energie umzuwandeln.

Eine Herausforderung beim Design von Solarzellen besteht darin, sicherzustellen, dass die Elektronen, die beim Auftreffen von Licht auf einen Halbleiter abgelöst werden, einen Strom erzeugen. Wenn ein Photon auf ein Solarzellenmaterial trifft, ist das Ergebnis sowohl ein freies Elektron als auch sein positives Gegenstück, ein sogenanntes Loch. Wenn diese schnell zu gegenüberliegenden Elektroden auseinandergezogen werden können, entsteht ein elektrischer Strom. Die Schwierigkeit, sie zu trennen, bevor sie sich rekombinieren und Energie als Wärme ableiten, ist jedoch eines der Haupthindernisse für hocheffiziente Solarzellen, sagt Aravinda Kini, Programmmanagerin für biomolekulare Materialforschung beim U.S. Department of Energy.

Morses Strukturen könnten diese Straßensperre überwinden. Das Netzwerk kristalliner Vorsprünge könnte in eine transparente feste oder flüssige Elektrode eingetaucht werden. Licht würde durch die Elektrode gehen, wo es vom Kristall absorbiert würde. Da die Oberfläche des strukturierten Dünnfilms groß ist (in einem Material das 90- bis 100-fache der eines herkömmlichen Dünnfilms), befinden sich viele der durch das Licht erzeugten Elektron-Loch-Paare nahe der Elektrodengrenzfläche; Als Ergebnis könnten sie sich schnell trennen, wobei sich ein Ladungsträger in die transparente Elektrode bewegt und der andere durch den Kristall wandert, um an der gegenüberliegenden Elektrode auszutreten.

Morse und Kollegen haben bereits mehr als 30 Arten von Halbleiterdünnschichten hergestellt und ihre photovoltaischen Eigenschaften getestet. Sie arbeiten nun daran, die Halbleiter in funktionsfähige Solarzellen einzubauen. Gleichzeitig entwickelt Morse weiterhin neue biologisch inspirierte Methoden zum Zusammenbau von Materialien mit Blick auf zusätzliche Anwendungen, darunter Halbleiterbauelemente für sicherere Batterien mit höherer Leistungsdichte und kleinere Speicherchips; Außerdem interessiert er sich für die Herstellung von laminierten Fasern für ultrafeste Baustoffe.

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Obwohl Morse von den möglichen Anwendungen seiner Arbeit begeistert ist, bleibt er im Grunde ein Molekularbiologe. Noch während er darüber spricht, wie seine Forschung zu besseren Solarzellen führen könnte, blickt er aus dem Fenster auf die im Hafen herumtollenden Delfine. Und er widmet sich immer noch dem Verständnis des Mechanismus hinter der Komplexität des Schwamms. Noch einmal untersucht er das exquisite Skelett des Blumenkorbs der Venus, obwohl er es zweifellos tausendmal gesehen hat. Dieses sei von einem Lebewesen aus Glas gemacht worden, ruft er aus. Es ist unglaublich!

Kevin Bullis ist Technologieüberprüfung 's Redakteurin für Nanotechnologie und Materialwissenschaften.

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