Jika manusia melakukan "migrasi antarbintang" di masa depan, maka Mars niscaya akan menjadi tujuan pertama. "Iron Man" Lembah Silikon Elon Musk selalu memiliki tujuan untuk "menjajah Mars" dan berencana membangun kota mandiri di Mars.
Namun, tidak realistis mengandalkan roket untuk mengangkut semua bahan yang dibutuhkan bagi kehidupan manusia, dari oksigen dan bahan bakar hingga makanan dan obat-obatan dari bumi; bahkan jika daya dukung roket SpaceX terus meningkat. Namun, Profesor Yang Peidong dari Universitas California di Berkeley memiliki rencana jangka panjang dan sederhana, yang dapat membantu "Proyek Imigrasi Mars" direalisasikan secepat mungkin.
Dalam sepuluh tahun terakhir, para peneliti di laboratorium Yang Peidong telah mempelajari "sistem peredaran darah" yang menggabungkan mikroorganisme dengan bahan non-biologis. Sistem tersebut dapat mengubah karbondioksida dan air menjadi komponen dasar molekul organik dengan menyerap energi matahari - ini juga disebut "fotosintesis buatan". Pada tahun 2015, laboratorium Yang Peidong berhasil mengembangkan sistem "fotosintesis buatan" generasi pertama, dan baru-baru ini, mereka meluncurkan "versi 2.0" yang lebih baik.
Menurut pengantar Yang Peidong, kawat nano silikon dalam sistem pada dasarnya adalah antena - mereka menangkap foton matahari seperti panel surya. Kawat nano silikon ini kemudian menghasilkan elektron dan memberikannya ke mikroorganisme yang menempel. Akhirnya, mikroorganisme menyerap karbon dioksida, melakukan reaksi kimia, dan menghasilkan asetat.
Sebuah makalah tentang penelitian tersebut diterbitkan di majalah Joule pada tanggal 31 Maret. "Sistem Fotosintesis Buatan Versi 2.0" Yang Peidong mencatat rekor efisiensi konversi baru: hingga 3,6% dari energi matahari yang diserap dalam seminggu Efisiensi konversi, selesaikan konversi dari energi matahari menjadi energi kimia, dan terakhir simpan dalam bentuk asetat. Selain itu, oksigen dapat diproduksi.
DeepTech secara khusus mewawancarai Profesor Yang Peidong untuk mempelajari lebih lanjut tentang cerita di balik penelitian dan rencana masa depannya.
Gambar | "Sistem Fotosintesis Buatan Versi 2.0": Perangkat yang menangkap karbon dioksida dari udara dan mengubahnya menjadi bahan organik praktis; di sebelah kiri adalah ruang yang dilengkapi dengan sistem mikroba dan kawat nano, tempat karbon dioksida diubah menjadi asam asetat Garam, di sebelah kanan adalah ruang di mana oksigen dihasilkan (Sumber: Yang Peidong / UC Berkeley)
Sebuah "sistem peredaran darah dinamis" seperti alam
"96% atmosfer Mars adalah karbon dioksida." Kata Yang Peidong, "dan sistem kami menggunakan kawat nano semikonduktor silikon untuk menyerap energi matahari dan meneruskannya ke mikroba pada kawat nano untuk reaksi kimia."
Untuk misi luar angkasa, orang perlu mempertimbangkan berat muatan, dan keuntungan dari sistem biologis adalah "mereka dapat mereplikasi diri sendiri". Dengan cara ini orang tidak perlu bergantung pada roket untuk meluncurkan lebih banyak benda, jadi ini juga merupakan keuntungan menarik dari "sistem gabungan biologis / nonbiologis". Bahkan tanpa mempertimbangkan migrasi antarbintang, hal itu juga dapat membantu mengatasi masalah kekurangan energi dan pemanasan global yang disebabkan oleh emisi karbon dioksida di bumi.
Selain sinar matahari, sistem fotosintesis buatan kami hanya membutuhkan zat lain-air. Yang Peidong berkata, Dan lapisan es kutub di Mars relatif kaya, dan sebagian besar planet di bawah tanah kemungkinan besar akan membeku banyak. Air. Demikian pula, lebih dari 70% bumi kita tertutup oleh air laut.
Sistem "fotosintesis buatan" yang dirancang oleh laboratoriumnya menggabungkan kawat nano semikonduktor silikon dengan mikroorganisme yang dapat menggunakan enzim mereka sendiri untuk mengubah karbon dioksida menjadi produk multi-karbon tertentu, sehingga mewujudkan proses konversi dari energi matahari menjadi energi kimia. Ketika sistem ini pertama kali diluncurkan pada tahun 2015, sistem ini menarik perhatian luas. Namun saat itu efisiensi konversinya relatif rendah, hanya 0,4%.
"Generasi pertama terutama membuktikan bahwa desain kami layak dari konsep tersebut," kata Yang Peidong. Kemudian dalam lima tahun terakhir, mereka terus mengoptimalkannya hingga saat ini meningkat menjadi 3,6% - dan ini mendekati efisiensi konversi tebu "juara" di alam yang mengubah karbon dioksida menjadi gula dan zat lainnya, 4% ~ 5%. "Kami telah menghabiskan banyak pemikiran tentang ini, dan mungkin mengalami tiga atau empat gelombang mahasiswa pascasarjana."
Karena mikroorganisme memiliki masalah waktu bertahan hidup, DeepTech bertanya kepada Yang Peidong tentang stabilitas dan keberlanjutan sistem. Dia menjelaskan: "Kemampuan mikroorganisme untuk mereplikasi dirinya sendiri sangat kuat dan sering. Sebagai katalisator untuk konversi, dibutuhkan periode waktu." Satu batch nanti akan mati, tetapi batch kedua akan dihasilkan. Ini akan mengalami proses regenerasi sendiri, jadi tidak ada masalah dengan daya tahan sistem. "
Selain itu, ia juga mengatakan: Yang dilakukan laboratorium adalah menganggapnya sebagai sistem "statis" (Batch Reactor) untuk berbagai pengembangan dan pengujian, namun pada kenyataannya bentuk aplikasi akhirnya akan seperti alam. Seperti tumbuhan lain, ia membentuk "siklus dinamis" (Flow Reactor) berulang kali.
Gambar | Gambar pemindaian mikroskop elektron dari sistem kombinasi mikroba-kawat nano: Di bawah lingkungan pH yang optimal, mikroba akan membungkus kawat nano dengan rapat; pengepakan yang rapat ini akan membuat energi matahari lebih efektif diubah menjadi ikatan karbon (sumber: Yang Peidong)
Sebagai versi 2.0 dari sistem "fotosintesis buatan", laboratorium Yang Peidong terutama meneliti dan mengoptimalkan antarmuka antara mikroba dan elektroda kawat nano.
Para peneliti awalnya mencoba untuk mengisi kawat nano dengan lebih banyak mikroorganisme untuk meningkatkan efisiensi. Ketika elektron langsung ditransfer ke mikroorganisme melalui kawat nano untuk reaksi kimia, mikroorganisme akan jatuh dari kawat nano, sehingga merusak sirkuit. Setelah percobaan berulang kali, mereka menemukan bahwa mikroorganisme ini mengurangi keasaman air di sekitarnya selama proses produksi asam asetat, sehingga menyebabkan mereka terpisah dari kawat nano.
Yang Peidong dan murid-muridnya akhirnya menemukan cara untuk mengontrol keasaman air di lingkungan, sehingga dapat mengimbangi efek kenaikan pH yang disebabkan oleh produksi asam asetat secara terus menerus. Hal ini memungkinkan mereka memasukkan lebih banyak mikroba ke dalam kawat nano, meningkatkan efisiensi konversi hampir 10 kali lipat. Tanpa suplementasi mikroorganisme berikutnya, sistem dapat melakukan reaksi reduksi karbon dioksida selama seminggu secara stabil dan efisien.
Di bawah sinar matahari terus menerus, efisiensi konversi energi rata-rata "energi matahari menjadi asam asetat" dalam "sistem fotosintesis buatan versi 2.0" mencapai 3,6% dalam seminggu; sementara itu, output harian asam asetat selama minggu ini juga bisa mencapai 44,3 g / m2 (Atau 0,3 g / L). Selain itu, mereka menggunakan pelabelan isotop untuk mengkonfirmasi lintasan reaksi karbon, dan menggunakan eksperimen kontrol gelap untuk membuktikan bahwa energi cahaya adalah satu-satunya sumber energi untuk konversi karbon dioksida.
Molekul asetat yang dihasilkan dapat digunakan sebagai bagian dari rangkaian molekul organik, termasuk bahan bakar, plastik, dan obat-obatan. Pada saat yang sama, banyak produk organik lainnya juga dapat dibuat dari asetat dalam organisme hasil rekayasa genetika, seperti bakteri atau ragi. Selain itu, laboratorium Yang Peidong juga mempelajari penggunaan energi matahari dan karbon dioksida untuk menghasilkan sistem gula dan karbohidrat, yang selanjutnya dapat memecahkan masalah makanan para imigran antarbintang.
Oksigen adalah manfaat sampingan, yang dapat membantu manusia menciptakan lingkungan oksigen 21% yang meniru Bumi di Mars.
"Secara keseluruhan, kawat nano silikon dalam sistem ini pada dasarnya seperti antena - mereka menangkap foton matahari seperti panel surya. Kawat nano silikon ini kemudian menghasilkan elektron dan memberikannya ke mikroorganisme yang menempel. Akhirnya, mikroorganisme menyerap karbon dioksida, Lakukan reaksi kimia dan hasilkan asetat. "Kata Yang Peidong.
Penelitian ilmiah berfokus pada "asli", dan hasil berasal dari akumulasi
"Sistem fotosintesis buatan" telah dikembangkan hingga hari ini dan telah mencapai hasil yang luar biasa, berkat akumulasi pengetahuan Yang Peidong di banyak bidang selama bertahun-tahun dan pemikiran desainnya yang "asli".
Sebagai pelopor di bidang kawat nano, ketika Yang Peidong menuntut ilmu untuk gelar Ph.D. di Universitas Harvard 25 tahun yang lalu, dia bekerja dengan mentornya, Charles Lieber, seorang akademisi American Academy of Sciences dan seorang ilmuwan nano di Universitas Harvard, untuk mengembangkan properti yang unik Kabel nano semikonduktor.
Ini adalah kawat silikon yang sangat tipis dengan diameter hanya seperseratus dari rambut manusia. Dapat digunakan untuk mengubah energi panas dan cahaya menjadi energi listrik, atau sebagai komponen elektronik untuk sensor dan sel surya. Ini banyak digunakan dan memiliki potensi besar.
Pada tahun 2001, perangkat elektronik kawat nano semikonduktor dipilih sebagai salah satu dari sepuluh perkembangan terobosan teratas oleh majalah "Science". Selain itu, teknologi ini juga dinilai sebagai salah satu dari "Sepuluh Teknologi Terobosan Teratas yang Mempengaruhi Masa Depan" oleh Massachusetts Institute of Technology Review pada tahun 2004. Pada tahun 2006, majalah "Nature" mencantumkan penelitian kawat nano semikonduktor sebagai salah satu dari sepuluh hotspot penelitian dalam fisika.
Hasil penelitian juga membuat Yang Peidong menjadi ilmuwan material top dunia dalam satu gerakan. Pada tahun 2011, Thomson Reuters mengumumkan data "Top 100" dari para ilmuwan dan ahli kimia material global dalam dekade pertama abad ke-21, dan memeringkatnya menurut pengaruh berbagai hasil penelitian yang mereka terbitkan. Yang Peidong menempati urutan pertama dalam daftar ilmuwan material dan dalam 10 besar dalam daftar ahli kimia (ahli kimia yang paling berpengaruh adalah mentornya Charles Lieber).
Gambar | Tangkapan layar dari daftar "Global Top 100 Material Scientists" dari Thomson Reuters (Sumber: ScienceWatch)
Setelah mengembangkan kawat nano, Yang Peidong datang ke Universitas California, Berkeley, dan mulai mempelajari fotonik kawat nano dan penelitian terkait sel surya dengan kawat nano. Dengan perkembangan bidang-bidang seperti rekayasa genetika, biosensor, dan sel biofuel, material fungsional hibrida yang menggabungkan material biologis dan non-biologis telah mendapat perhatian yang luas. Selanjutnya, komunitas riset ilmiah mengalihkan perhatiannya pada penggunaan mikroorganisme untuk mencapai pengurangan karbon dioksida fase air yang efisien.
Sekitar tahun 2010, Yang Peidong memulai penelitian tentang "fotosintesis buatan" berdasarkan antarmuka antara mikroorganisme dan bahan non-biologis. Karena keunggulan perintisnya pada kawat nano semikonduktor, ditambah dengan pembelajaran berkelanjutan dan investasi mendalam di bidang kimia, mikrobiologi, dan bidang lainnya, laboratorium Yang Peidong selalu menjadi pemimpin dunia dalam bidang fotosintesis buatan.
"Ini adalah bidang yang relatif 'ceruk'." Yang Peidong berkata, "karena memerlukan berbagai disiplin ilmu yang relatif besar, dan membutuhkan persyaratan yang relatif tinggi untuk kondisi penelitian ilmiah dan akumulasi teknologi. Tidak banyak laboratorium yang dapat melakukan ini."
Tetapi "niche" tidak berarti bahwa pentingnya penelitian di bidang ini tidak cukup. Pada September 2018, NASA merilis "Tantangan Konversi Karbon Dioksida" untuk luar angkasa: memberikan hadiah 1 juta dolar AS, dengan harapan para peserta dapat menemukan cara baru untuk mengubah karbon dioksida menjadi senyawa yang bermanfaat seperti glukosa. NASA akan memberi hadiah kepada 5 tim, yang masing-masing akan menerima $ 50.000. Hasilnya akan diumumkan pada April 2019. Setelah itu, tim terpilih akan memasuki tahap kedua-membangun sistem konversi dan menampilkannya. Bonus untuk tahap kedua setinggi $ 750.000.
Seperti yang diharapkan, tim peneliti dari laboratorium Yang Peidong berhasil memasuki tahap pertama "Final Top 5". Kami sedang dalam tahap kedua dari tantangan ini. Dia menambahkan, Namun, tantangan NASA tidak sama dengan sistem fotosintesis buatan yang kita bicarakan di sini. Arahnya adalah katalis anorganik, dan kita berbicara tentang fotosintesis buatan di sini. Sistem menggunakan katalis biologis. Beberapa siswa lain di laboratorium saya sedang mengerjakan katalisis anorganik. "
Laboratorium Yang Peidong sangat besar, dan saat ini terdapat sekitar 150 mahasiswa doktoral dan peneliti pasca doktoral yang lulus dan belajar. Hampir setengahnya adalah mahasiswa Cina, dan sisanya kebanyakan mahasiswa Amerika dan Korea, ujarnya.
Foto | Yang Peidong dan murid-muridnya (Sumber: Yang Peidong)
Mengenai sikap penelitian, Yang Peidong mengatakan harus "orisinal" dan tidak mengikuti trend. Tidak disarankan untuk membabi buta mengejar "trend penelitian".
Sejak Kementerian Pendidikan China mengeluarkan dokumen pada tahun 2020 yang melanggar sistem "khusus SCI" di universitas domestik, DeepTech juga bertanya kepada Yang Peidong, siapa "makalah paling berpengaruh". Menerbitkan artikel jangan hanya mengejar indeks. Ini sikap yang wajar. Peneliti harus dibiarkan tenang dan melakukan penelitian, sehingga keputusan ini tepat. Ia mengatakan, mengambil bidang materi sebagai contoh, penelitian ilmiah juga memiliki trend trend.
"Misalnya, saya mulai dengan bahan kawat nano semikonduktor, diikuti oleh graphene, dan bahan dua dimensi lainnya." Dia berkata, "Arah penelitian sangat populer, tetapi peneliti tidak boleh mengikuti begitu saja. Mereka harus memahami orisinalitasnya di bidang ini. Apa kontribusinya. Misalnya, jika Anda melihat seorang peneliti ilmiah, Anda tidak dapat mencerminkan karya perwakilannya dalam waktu 30 detik, maka ada masalah.
Oleh karena itu, benar untuk "merusak SCI dulu". Tetapi pada saat yang sama kita harus menekankan bahwa "setiap orang harus memiliki karya yang orisinal dan representatif." Selain itu, bagi peneliti muda, setiap orang memiliki kesempatan untuk menemukan arah yang benar dan mematuhinya. "Saya khawatir banyak anak muda akan mengikuti tren dan hanya terlibat dalam hal-hal populer. Maka secara alami tidak akan ada satu hari pun," kata Yang Peidong.
Untuk langkah selanjutnya, Yang Peidong mengatakan bahwa laboratoriumnya akan terus mencari cara untuk meningkatkan efisiensi transformasi. Di saat yang sama, pihaknya juga akan mendalami teknologi rekayasa genetika untuk menjadikan mikroorganisme lebih "serba guna" dan mampu menghasilkan berbagai senyawa organik.
Mengenai aplikasi praktis, dia berkata: "Arah penelitian ini tidak ada habisnya. Tentu saja, orang selalu ingin tahu kapan mereka akan melihat beberapa aplikasi praktis. Visi besar mungkin terwujud dalam sepuluh hingga dua puluh tahun mendatang."
- Jumlah akumulasi pembiayaan tertinggi di dunia perusahaan startup komputasi fotonik dirilis, dipimpin oleh tim ilmuwan China
- 8 juri tingkat utama membantu dalam pemilihan dan bersama-sama menentukan inovator teknologi muda China
- Pimpin dalam pengisian daya super flash 65W komersial, bagaimana OPPO mengisi ulang selama 5 menit dan menjadi hitam selama 2 jam?
- Tsinghua bekerja sama dengan Academy of Sciences untuk menerobos penghalang massa jenis: logam cair ringan pertama di dunia Wawancara
- Pameran peringatan 500 tahun kematian Raphael baru saja menekan tombol jeda, memberi tahu kita tentang Renaisans masa lalu
- Musim panas atau akhir tahun, kapan epidemi global akan berakhir? Banyak makalah di dalam dan luar negeri memprediksi tren
- 61 hari wakil sekretaris komunitas Wuhan: ponsel meledak, kematian menyaksikan, sampai lebih banyak orang pulih