Фото: igr.net
Alter Vitae Nano-energy
Сидоров М. А.*, Фиговский О.Л.** M. Sidorov , O. Figovsky
*Российская академии естественных наук, **Израильская ассоциация изобретателей
ABSTRACT
The present paper offers a concise summary of generally accepted ideas of mitochondrial respiratory chains in living cells, and electric current generation by chose chains. It describes a mathematical and a nano-biophysical model of such biological power generation, and analyses the ways in which minor electric power industry may use the nano-physical model.
Key words: respiratory chain, наноbio-generation mechanism, model, nano-energy.
АБСТРАКТ
Кратко суммированы общепринятые и даны нанобиофизические представления о структуре дыхательных цепей митохондрий живых клеток и генерации ими электроэнергии. Описаны нанобиофизическая, математическая и нанофизическая модели механизма этой биогенерации. Рассмотрены пути возможного использования модели этого механизма в наноэнергетике.
Ключевые слова: дыхательная цепь, модель механизма нанобиогенерации электроэнергии, наноэнергетика.
Учит живая природа
По мере развития естествознания обнаруживается все более глубокая взаимосвязь между фундаментальными исследованиями механизма генерации электроэнергии молекулярными наноструктурами внутренних мембран митохондрий живых клеток, и поисками новых, гармоничных с природой, возобновляемых источников электроэнергии.
Понимание механизма нанобиогенерации электричества позволит, во-первых, приоткрыть тайну превращения неживой материи в живую, а, во-вторых, развернуть актуальные сейчас исследования в области нанобиофизического, нанобиоэнергетического и математического моделирования этого механизма.
Раскрытие природы механизма нанобиогенерации электроэнергии, его моделирование, возможно, позволит также научиться у действующей в масштабах нанометров живой природы, как следует быстро, природоподобно, а значит безопасно, особо эффективно и автономно, получать электроэнергию.
Биоэнергетика: новые подходы
Традиционно процессы биогенерации электроэнергии в мембранах митохондрий клеток животных и человека объясняются большинством исследователей в рамках электрохимической теории Питера Митчела как сочетание «темнового» ( без света, в отличие от растительных клеток) процесса «дыхания» и переноса электронов (однонаправленного их движения) в электронно-транспортной цепи (ЭТЦ) мембран с образованием аденозинтрифосфата (АТФ) [1]. В ходе поиска новой модели этой биогенерации одним из авторов были впервые разработаны и использованы междисциплинарные (на стыке биофизики, биоэнергетики и нанотехнологии) подходы к теоретическим и прикладным исследованиям механизма генерации электроэнергии наноструктурами внутренних мембран митохондрий клеток животных и человека [2]. Ранее другими авторами были опубликованы работы по альтервитальной знергетике [3,4]
Поскольку наноструктуры – это естественный уровень организации живого и неживого, мы можем видеть точку конвергенции, в которой молекулярная биология предоставляет свои идеи и компоненты, а нанотехнология обеспечивает новые инструменты и методы для исследования и моделирования фундаментальных процессов клеточной биологии, в том числе механизма биогенерации электроэнергии, характеризующейся высокой квантовой и энергетической эффективностью [5].
Нанобиофизическая модель
Все участвующие в биогенерации электроэнергии белковые комплексы внутренних мембран митохондрий (электростанций клетки) имеют размер от 10 до 100 нм. Это означает, что исследования свойств молекулярного комплекса внутренних мембран митохондрий дыхательной электронно-транспортной цепи (ЭТЦ), замкнутого на сопряженную мембрану (также наноструктуру), и реализуемого ими механизма биогенерации электроэнергии должны опираться на знания и методы нанотехнологии.
Данные исследований отечественных и зарубежных биохимиков показывают, что ЭТЦ включает три главных наноразмерных белковых комплекса [6], которые отделены друг от друга асимметричными (с разделенными зарядами) потенциальными энергетическими наноразмерными барьерами. В наноструктурах этих комплексов имеются и другие нанобарьеры с меньшей разницей потенциалов между разделенными зарядами. По сути ЭТЦ – это периодический нанобарьер, встроенный в проводящие электроны белковой наноструктуры.
В нанопроводнике электроны проводимости обычно находятся в состоянии непрерывного хаотического движения, обладая волновыми свойствами и определенными скоростями (энергиями), характерными для химической природы атомов данного материала.
В результате разделения зарядов на асимметричных нанобарьерах возникает разница электрических потенциалов, которая объясняет имеющий место однонаправленный перенос электронов наноструктурами внутренних мембран митохондрий. Этот перенос электронов (электрический ток в ЭТЦ) способствует разделению зарядов также и на отдельной, сопряженной мембране (еще одном асимметричном нанобарьере),
преобразующей концентрирующуюся здесь электрическую энергию в химическую, которая запасается в молекуле АТФ, что обеспечивает синтез необходимых клетке белков.
Таким образом, в замкнутой на сопряженную мембрану (наноконденсатор электроэнергии) ЭТЦ с помощью проводящих электроны наноструктурных белковых комплексов и встроенных в них асимметричных нанобарьеров идет преобразование хаотического движения электронов проводимости в однонаправленное – электрический ток, а на сопряженной мембране – его концентрация и использование путем преобразования в химическую энергию АТФ.
Это означает, что во внутренних мембранах митохондрий клеток идут, с помощью такого нанобиофизического механизма, процессы генерации, концентрации и преобразования энергии.
Математическая модель нанобиофизического механизма генерации электроэнергии в результате разделения зарядов на ассиметричных нанобарьерах ЭТЦ создана на основе решения уравнения Шредингера, данного Вентцелем, Крамерсом и Бриллуэном [7], [8]. Расчеты на основе этой математической модели показали, что на встроенном в замкнутый нанопроводник асимметричном нанобарьере соответствующей формы можно получить разность электрических потенциалов, обусловленных самопроизвольно создаваемым на нанобарьере дополнительным электрическим полем.
Таким образом, преимущественно однонаправленное самопроизвольное движение электронов проводимости, обладающих всегда вполне определенными значениями энергий, происходит только тогда, когда к нанобарьеру приложена дополнительная разность потенциалов. Она, с одной стороны, повышает скорость движения электронов и, тем самым, увеличивает длину их свободного пробега в нанопроводнике, с другой стороны, уменьшает высоту потенциального нанобарьера, делая его более прозрачным для электронов.
Так как электроны проводимости в нанопроводнике всегда находятся в состоянии непрерывного движения, обладая волновыми свойствами и определенными скоростями (энергиями), то внешнего воздействия для возбуждения асимметричного нанобарьера не требуется. В замкнутом нанопроводнике такие нанобарьеры будут всегда находиться в состоянии спонтанного возбуждения, и вся система будет стремиться к своему наивероятнейшему состоянию – однонаправленному движению электронов. Однако, если ширина нанобарьера будет несоизмеримо велика по отношению к длине свободного пробега электронов, то данный эффект не проявится [7].
Исследования показывают, что клетки растений аккумулируют не только световую, но и тепловую энергию. Это явление было обнаружено в лаборатории фотобионики Института химической физики им. Н.Н.Семенова РАН при изучении механизма генерации электротока в пленках фотосинтетических пигментов и их аналогов. Когда света много, зеленый лист отдает тепловую энергию окружающей среде, а когда света мало, он работает при фотосинтезе как тепловой насос: перекачивает и использует для нужд своей биоэнергетики возобновляемую солнцем, рассеянную в окружающей среде низкопотенциальную тепловую энергию [9].
Известная универсальность процессов в биоэнергетике клеток всего живого – от растений до человека [6] – позволяет предположить, что и клетка животного и человека в ходе «темнового» (когда света нет или мало) процесса биогенерации электроэнергии также используют тепловую энергию окружающей среды. Если температура окружающего клетку организма падает достаточно низко, поступления к ней тепловой энергии недостаточно, процессы нанобиогенерации прекращаются, клетка гибнет.
Нанобиоэнергетическая модель механизма генерации электроэнергии клетками животных объясняет использование (преобразование) их митохондриями тепла окружающей среды тем, что электрон, встретив на своем пути асимметричный, потенциальный, энергетический (двухуровненный) нанобарьер ЭТЦ, теряет часть своей энергии (скорости) на преодоление его верхнего уровня. При этом, скатываясь, образно говоря, с более низкого уровня, он приобретает ее значительно меньше. Однако, оказавшись за нанобарьером в том же нанопроводнике, электрон неминуемо, в силу своей химической природы, должен будет увеличить свою энергию (скорость) до прежнего значения, что может произойти только за счет поглощения необходимого количества энергии путем многократного взаимодействия с другими атомами и электронами нанопроводника, которые, в свою очередь, пополнят ее, видимо, за счет тепловой энергии окружающей среды [7], [8]. Никакого нарушения закона сохранения энергии здесь нет: сколько было взято тепловой энергии из окружающей среды, ровно столько же выделится ее в активных потребителях генерируемой электроэнергии.
Таким образом, на основе принципа «асимметричного нанобарьера» и новой нанобиофизической модели механизма генерации электроэнергии клетками животных и человека разработана теория управления движением зарядов в замкнутой нанопроводящей цепи с совершенной монокристаллической структурой (большой длиной пробега электронов), и со встроенными в нее асимметричными, потенциальными энергетическими нанобарьерами. Эта теория может быть использована при разработке новых, безопасных и особо эффективных нанотехнологий для новых генераторов электроэнергии.
Расчеты на основе математической модели показали, что для одной из простейших форм нанобарьера при кинетической энергии электрона 4 эВ и высоте нанобарьера 2 эВ, создаваемое на нем напряжение составит около 0,1 В [7]. Если же в замкнутом нанопроводнике создать n нанобарьеров, то напряжение на каждом последующем будет возрастать. Результат может быть увеличен в несколько раз, если ограничивать число степеней свободы движущихся электронов. Главное условие для этого – максимальное уменьшение ширины нанобарьеров, и минимальная, до размеров атома, толщина нанопроводников, что наблюдается, например, у двумерных кристаллов. Возможное объяснение описанных явлений на основе теории Дирака, предполагающей электроны с отрицательным состоянием энергии, не меняет основных выводов, но может повлиять на их математическое оформление [7].
Таким образом, раскрытие нанобиофизической природы механизма генерации электроэнергии клетками животных и человека, его моделирование на основе наноструктур, в том числе обладающих монокристаллической структурой двумерных кристаллов, возможно, позволит научиться безопасно и эффективно получать электроэнергию.
Нанотехнология для электроэнергетики
Реализация нанотехнологии для наноэнергетики требует создания нанопроводника с максимальным уменьшением его поперечного сечения, вплоть до размеров атома, и с монокристаллической структурой, обеспечивающей наибольшую длину свободного пробега электронов, а также разработки современных методов получения наноматериалов для создания асимметричных, потенциальных энергетических нанобарьеров – наногетероструктур.
В качестве нанопроводника возможно использование нанотрубок или двумерного кристалла графена. Исследователи Технологического института (штат Джорджия, США) и компании DuPont создали полосы графена в виде «складок» шириною до 20 нм с полупроводниковыми свойствами. Электронные свойства полученного материала измеряли, облучая его на синхротронной установке. Выяснилось, что складывание графена на подложке создает в нем характерную для полупроводников запрещенную зону, превращая его в полупроводник. В тех же областях, где поверхность была плоской, графен сохранял свойства хорошего проводника. Таким образом, управляя формой поверхности, можно получать на одном листе графена как металлические, так и полупроводниковые зоны («щели» в энергетическом спектре), что, возможно, позволит создать полностью углеродные микрочипы [10].
В двухслойном графене барьеры полностью непрозрачны для носителей зарядов, причем, если между двумя слоями графена создать разность потенциалов, то в энергетическом спектре также появляется «щель», размерами которой можно легко управлять, в том числе локально [11].
Общий принцип создания асимметричных нанобарьеров – сочетание химически разнородных атомов или двумерных монокристаллов, энергетические уровни внешних электронов которых отличаются на значительную величину. И, конечно, чем меньше будет абсолютное число электронов в данном нанопроводнике, тем больше будет асимметрия в их движении [7]. В пределе она будет стопроцентной, если в проводнике будет двигаться только один электрон.
Новые перспективы здесь, возможно, откроет применение технологии «распутывания» спутанных электронов, в особенности создание и применение однонаправленного движения в наноструктурах одиночных электронов. Специалисты из Лейбницского университета в Ганновере (Leibniz University Hannover) и национального института Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) создали устройство, которое позволяет получить пары запутанных электронов и направить эти электроны в два различных электрических проводника. В качестве основного элемента созданного квантового устройства использован так называемый полупроводниковый источник единичных электронов (semiconductor single-electron pump)[12].
Особое значение асимметричного нанобарьера состоит в том, что он обеспечивает преимущественное движение электронов в замкнутой электрической цепи. Ширина таких нанобарьеров должна быть соизмерима с длиной пути свободного пробега электронов, порядка 10-6 см , а их высота –соответствовать малой величине запорного напряжения.
Группа А.Гейма из Манчестерского университета, создавшая графен и его модификации, разработала новые методы изготовления наногетероструктур. Для получения трехмерных кристаллов – наногетероструктур с самыми разнообразными свойствами – предлагается использовать химические модификации графена: диэлектрики графан и флюрографен, двумерные кристаллы нитрида бора, полупроводникового фосфора [13] и других химических элементов, располагая их монослои один над другим. Гетероструктура была получена, например, в результате инкапсуляции графена между двумя кристаллитами нитрида бора, что также защищает его от воздействия окружающей среды [14]. Из подобных гетероструктур, возможно, будут создавать прототипы асимметричных энергетических нанобарьеров.
В лаборатории А. Гейма под руководством Р. Горбачева в среде инертного газа получены стабильные в воздухе, располагающиеся слоями 2D-материалы. Блоки из подобных стабильных 2D-кристаллов будут служить, по мнению исследователей, стандартными гетероструктурами для различных устройств, в том числе, возможно, и легких батарей для мобильного аккумулирования энергии [15]. В дополнение к этим элементам во Франции изготовлены асимметричный нанобарьер (молекула) и наноамперметр [16]. Исследования по созданию наноаккумуляторов (суперконденсаторов) идут в научных центрах мира.
Модели искусственных аналогов биоэнергетики живых клеток пытаются создать и в других странах. Швейцарский ученый, профессор М.Гретцель предложил наноустройство – «элемент Гретцеля», который также с помощью разделения зарядов на наноструктуре (подобной асимметричному энергетическому нанобарьеру) моделирует преобразование растительной клеткой солнечного света в электричество[18]. В Национальном институте стандартов и технологий NIST (США), также разработана оригинальная модель искусственного аналога электрической клетки угря [19].
Это подтверждает перспективность осуществляемой нами разработки экспериментальной схемы наноэлектроенератора iEnergyNano, моделирующего нанобиоэнергетику клетки животных. Его замкнутая схема будет состоять из нанопроводника, встроенного в него периодического нанобарьера, наноамперметра и наноаккумулятора (суперконденсатора), который при отсутствии активной нагрузки будет аккумулировать и сохранять генерируемую электроэнергию.
ВЫВОДЫ
Таким образом, нами рассмотрены нанобиофизическая, нанобиоэнергетическая и математическая модели механизма биогенерации электроэнергии, теория управления движением зарядов (электронов) в замкнутой нанопроводящей цепи, а на их основе – нанотехнология для наноэнергетики.
Уже созданы или создаются двумерные кристаллы и другие наноструктуры и наногетероструктуры, которые могут стать основой для реализующей эту нанотехнологию экспериментальной схемы принципиально нового, дружественного природе и особо эффективного автономного энергетического устройства – наноэлектрогенератора iEnergyNano. Из множества таких соединенных между собой устройств будет создана схема генератора iEnergy.
Перспективы
На базе многих наноэлектрогенераторов iEnergyNano будут создаваться чипы, при соединении которых будет формироваться схема портативной, а также масштабируемой, электробатареи iEnеrgy. При суммировании величин рабочих токов чипов ее мощности будет достаточно для использования вместо химических батареек и аккумуляторов в миллиардах сотовых телефонов, ноутбуков и других мультимедийных устройствах Интернета, а в будущем, возможно, и в электромобилях, беспилотных летательных аппаратах, в домашних электростанциях.
В ближайшее время представляется возможным создание принципиально нового, подобно живой клетке использующего возобновляемое солнцем тепло окружающей среды, «вечного» (долго и непрерывно работающего), особо эффективного и дружественного природе поколения устройств наноэнергетики – автономных, портативных, масштабируемых, сравнительно легких и дешевых электробатарей iEnеrgy, которые могут стать частью новых, альтернативных, природоподобных, «умных» систем возобновляемой, распределенной энергетики.
Литература
1. Виноградов А.Д. Биохимия, – 2001, т.66, вып.10, – С.1346.
2. Сидоров М. А. О механизме генерации электротока живой клеткой. М., Спутник+, 2002.
3. O.Figovsky, Yu.B.Magarshak: Altera Vitae Civilization: problems and perspectives, «Scientific Israel – Technological Advantages», vol. 6, No. 3, pp.1-9, 2004
4. Фиговский О., Магаршак Ю. АЛЬТЕР ВИТАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА, https://nizinew.com/novosti-sajta/4759.html
5. Скулачев В.П., Шувалов В.А. Фотосинтез и молекулярная энергетика. Вестник РАН, 2006, т.76, № 5, – С. 437-443.
6. Скулачев В.П. Энергетика биологических мембран, М., Наука, 1989.
7. Ощепков П.К. Избранное. ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет», 2014, С. 260-266.
8. Сидоров М.А. Естественные и технические науки, – 2004, №1, – С.73-79.
10.Комиссаров Г.Г. Фотосинтез: физико-химический подход. Изд.2, стереот. М., 2006.
11. DuPont Chief Executive Officer Ellen Kullman.
12 A. Bostwicket at al., New J. Phys. 9, 385 (2007).
13. Dailytechinfo.org. EScienceNews.
14. Yuanyue Liu, Fangbo Xu, Ziang Zhang, Evgeni S. Penev,Boris I. Yakobson. Two-Dimensional Monoelemental Semiconductor with Electronically Inactive Defects: The Case of Phosphorus. Nano Letters, 2014.
15.Морозов С. В.УФН 182 437-439 (2012).
16. Y.Cao, A.Mishchenko, G.L.Yu, K.Khestanova, A.Rooney, E.Prestat, A.V.Kretinin, P.Blake, M.B.Shalom, G.Balakrishnan, I.V.Grigorieva, K.S.Novoselov, B.A.Piot, M.Potemski, K.Watanabe, T.Taniguchi, S.J.Haigh, A.K.Geim, R.V.Gorbachev. Quality heterostructures from two dimensional crystals unstable in air by their assembly in inert atmosphere. Nano Letters, 2015.
17. O. Figovsky, D. Beilin: Green Nanotechnology. Pan Stanford Publishing. 2017, 538 pages.
18. B. Karn, S. Wong: Ten years of Green Nanotechnology, ACS Publishing. 2013, 10 pages
19. Jian Xu and David A.Lavan. Designing artificial cells to harness the biological ion concentration gradient. Nature Nanotechnology 3, 666- 670 (2008).
