Wissenschaftler wandeln Algen in einzigartige funktionale Perowskite mit einstellbaren Eigenschaften um

Wissenschaftler haben einzellige Algen in funktionelle Perowskit-Materialien umgewandelt. Das Team unter der Leitung von Wissenschaftlern des B CUBE – Center for Molecular Bioengineering der TU Dresden wandelte mineralische Algenschalen in Bleihalogenid-Perowskite mit einstellbaren physikalischen Eigenschaften um. Die neuen Perowskite haben einzigartige Nanoarchitekturen, die durch herkömmliche synthetische Herstellung nicht erreichbar sind. Das Verfahren kann auf die Massenproduktion von Perowskiten mit einstellbaren strukturellen und elektrooptischen Eigenschaften aus einzelligen Organismen angewendet werden. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Fortgeschrittene Wissenschaft.

Perowskite sind Materialien, die aufgrund ihrer bemerkenswerten elektrischen, optischen und photonischen Eigenschaften für eine Vielzahl von Anwendungen immer beliebter werden. Perowskit-Materialien haben das Potenzial, die Bereiche Solarenergie, Sensorik und Detektion, Photokatalyse, Laser und andere zu revolutionieren.

Die Eigenschaften von Perowskiten können für spezifische Anwendungen abgestimmt werden, indem ihre chemische Zusammensetzung und innere Architektur, einschließlich der Verteilung und Ausrichtung ihrer Kristallstruktur, verändert werden. Derzeit ist die Beeinflussbarkeit dieser Eigenschaften durch die Herstellungsverfahren massiv eingeschränkt. Einem Team von Wissenschaftlern der TU Dresden gelang es, Perowskite mit einzigartigen Nanoarchitekturen und Kristalleigenschaften aus Algen herzustellen, wobei die jahrelange Evolution dieser einzelligen Organismen genutzt wurde.

Die Evolution nutzen

„Einzellige Organismen haben über Hunderte von Millionen Jahren auf eine Vielzahl von Umweltfaktoren wie Temperatur, pH-Wert und mechanische Belastungen reagiert. Infolgedessen haben sich einige von ihnen zu absolut einzigartigen Biomaterialien entwickelt, die es nur in der Natur gibt“, sagt Dr Igor Zlotnikov, Forschungsgruppenleiter am B CUBE–Center for Molecular Bioengineering, der die Studie leitete. „Mineralien, die von lebenden Organismen gebildet werden, weisen oft strukturelle und kristallographische Eigenschaften auf, die weit über die Produktionskapazitäten liegen, die aktuelle Synthesemethoden bieten.“

Das Team konzentrierte sich auf L. granifera, eine Algenart, die Calcit zur Schalenbildung verwendet. Ihre kugelförmigen Schalen haben eine einzigartige Kristallarchitektur. Die Kristalle sind radial ausgerichtet, was bedeutet, dass sie sich vom Kugelmittelpunkt nach außen ausbreiten. „Die derzeitigen Herstellungsverfahren von Perowskiten sind nicht in der Lage, solche Materialien synthetisch herzustellen. Wir können jedoch versuchen, die vorhandenen natürlichen Strukturen in funktionale Materialien umzuwandeln und dabei ihre ursprüngliche Architektur beizubehalten“, fügt Dr. Zlotnikov hinzu.

Chemisches Tuning

Um die natürlichen Mineralschalen von Algen in funktionale Perowskite umzuwandeln, musste das Team Calcit durch chemische Elemente ersetzen. Dazu passten sie eine Methode an, die von ihren Mitarbeitern am AMOLF-Institut in Amsterdam entwickelt wurde. Während der Transformation konnten Wissenschaftler verschiedene Arten von Kristallarchitekturen herstellen, indem sie die chemische Zusammensetzung des Materials veränderten. Auf diese Weise könnten sie ihre elektrooptischen Eigenschaften feinabstimmen.

Durch die Umwandlung der Calcitschalen in Bleihalogenide mit entweder Jod, Bromid oder Chlorid konnte das Team funktionale Perowskite herstellen, die so optimiert sind, dass sie nur rotes, grünes oder blaues Licht emittieren.

Bereit für die Skalierung

„Wir zeigen erstmals, dass von Einzellern produzierte Mineralien in technologisch relevante Funktionsmaterialien umgewandelt werden können. Anstatt mit der Natur zu konkurrieren, können wir die jahrelange evolutionäre Anpassung nutzen, die sie bereits durchlaufen haben“, sagt Dr. Zlotnikov .

Die von seinem Team entwickelte Methode kann skaliert werden und eröffnet der Industrie die Möglichkeit, Algen und zahlreiche andere kalzitbildende einzellige Organismen zu nutzen, um funktionelle Materialien mit einzigartigen Formen und kristallographischen Eigenschaften herzustellen.