Крылья бабочки позволят увеличить производство «зеленого» топлива

Крылья бабочки являются, возможно, одним из самых хрупких элементов живой природы – однако именно они стали источником вдохновения для ученых, которые разработали технологию, позволяющую удвоить производство газообразного водорода – «зеленого» топлива будущего – из воды и солнечного света. Исследователи представили результаты своей работы на 243-ей Национальной конференции Американского общества химиков.  

Кандидат наук Тунсян Фан, представивший доклад об использовании в качестве образцов двух бабочек-парусников – Troides aeacus (орнитоптера золотистая) и Papilio helenus Linnaeus (парусник Елены) – объяснил, почему поиск возобновляемых источников энергии является столь актуальным в 21-ом веке. Одной из наиболее многообещающих технологий является производство с помощью воды и солнечного света сгорающего полностью водородного топлива.

Данная технология применяется в устройствах, которые используют солнечный свет для активизации катализаторов, расщепляющих воду на отдельные компоненты – водород и кислород.  Ключом к практической реализации проекта являются усовершенствованные солнечные коллекторы, поэтому группа ученых под руководством Фана обратила внимание на структурные особенности крыла бабочки, чтобы найти способ повысить эффективность гелиоконцентраторов.

 «Мы поняли, что решение этой проблемы существует уже миллионы лет – все это время оно буквально порхало у нас перед глазами, - отмечает Фан. – Черные крылья бабочки оказались естественным солнечным коллектором, который стоит изучить и воспроизвести».

Ученые уже давно знают, что крылья бабочек состоят из крошечных чешуек, которые поглощают солнечный свет и помогают им оставаться активными на холоде, поскольку их собственный метаболизм не производит достаточно тепла. Когда бабочки расправляют свои крылья и греются на солнце, эти миниколлекторы поглощают светло и согревают их тела.

Группа исследователей из Шанхайского университета Цзяотун использовала электронный микроскоп, чтобы рассмотреть самые мелкие детали строения чешуек на крыльях черных бабочек, поскольку черный цвет поглощает максимум солнечного света.

«Мы пытались разгадать «загадку черного цвета» - то есть понять, почему черные крылья поглощают так много света и отражают так мало», - поясняет Фан.

Первоначально ученые полагали, что причина кроется в глубоком чернильно-черном цвете, обусловленном наличием пигмента  под названием «меланин», который также содержится в коже человека. Однако в последнее время появились данные, которые указывают на важность структурных особенностей чешуек на крыльях бабочек.

Исследователи изучили продолговатые прямоугольные чешуйки, расположенные по принципу черепицы на крыше дома. Их строение у двух разновидностей бабочек немного отличалось, но у каждой из них на поверхности чешуек были обнаружены продольные выступы с отверстиями с каждой стороны.

Крутые стенки выступа помогают направлять свет в отверстия. Стенки поглощают свет с большей длиной волны, в то время как коротковолновые лучи достигают мембраны, расположенной под чешуйками. Используя изображения чешуек, ученые создали их компьютерные модели, чтобы подтвердить свое предположение об этом «эффекте фильтра». Отверстия на выступе служат в качестве своеобразных проводников коротких волн и барьером и поглотителем для длинных волн – то есть являются фильтром верхних частот.

Ученые использовали структуру крыла бабочки в качестве образца для конструирования материалов, поглощающих солнечный свет. За основу ими было взято строение крыла бабочки Papilio helenus Linnaeus (парусник Елены), воспроизведенное с помощью кальцинированной двуокиси титана.

Диоксид титана используется в качестве катализатора для расщепления молекул воды на водород и кислород. Чтобы увеличить его способность к расщеплению воды, ученые добавили к нему наночастицы платины. Сложносоставной катализатор, имитирующий структуру крыла бабочки, повысил выход газообразного водорода более чем в 2 раза по сравнению с неструктурированным катализатором.

«Данное исследование предлагает новую стратегию имитации искусных творений Матери-природы при производстве материалов для получения возобновляемой энергии. Концепцию заимствования идей у природы можно применять довольно широко; она дает возможность моделировать новые структуры, которые могут быть использованы для развития различных отраслей альтернативной энергетики – в частности, солнечной», - подытожил ученый.