Os sistemas bioeletroquímicos combinam o melhor dos dois mundos - células microbianas com materiais inorgânicos - para fazer combustíveis e outros produtos químicos ricos em energia com eficiência incomparável. No entanto, dificuldades técnicas os mantiveram impraticáveis ​​em qualquer lugar, exceto em um laboratório. Agora, os pesquisadores do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) desenvolveram uma nova membrana em nanoescala que pode resolver esses problemas e abrir caminho para o aumento de escala comercial.

A membrana em nanoescala é embutida com fios moleculares que simultaneamente se separam quimicamente, ainda eletroquimicamente acoplar, um catalisador microbiano e um catalisador inorgânico na escala de comprimento mais curta possível. Esta nova arquitetura modular, descrito em um artigo publicado recentemente em Nature Communications , abre um grande espaço de design para a construção de sistemas eletroquímicos biohíbridos escaláveis ​​para uma variedade de aplicações, incluindo geração de eletricidade, remediação de resíduos, e recuperação de recursos, além da síntese química.

O trabalho foi liderado por Heinz Frei, um cientista sênior da Divisão de Biofísica Molecular e Bioimagem Integrada do Berkeley Lab (MBIB), e Caroline Ajo-Franklin, um cientista da equipe da Fundição Molecular do Berkeley Lab, que tem um cargo secundário no MBIB.

"Este avanço apresenta uma arquitetura completamente nova para sistemas bioeletroquímicos com base na integração em nanoescala e fornece um caminho para a ampliação desses sistemas a um nível comercialmente relevante, "disse Frei." Além do mais, ele fornece um exemplo de como um princípio fundamental de design inspirado pela biologia é aplicado para resolver uma importante lacuna científica de sistemas de engenharia. "

Os sistemas eletroquímicos biohíbridos empregam catalisadores microbianos e inorgânicos separados na redução da oxidação, ou redox, reações, para capitalizar os pontos fortes complementares de cada componente. Os micróbios podem sintetizar moléculas complexas com alta seletividade, enquanto os catalisadores inorgânicos são os coletores de energia mais eficientes. Esses sistemas biohíbridos são atraentes como tecnologia sustentável para a produção de combustíveis e produtos químicos de alto valor usando energia renovável.

Mas, um desafio fundamental na concepção de sistemas biohíbridos é que os ambientes que suportam o funcionamento ideal de células vivas e materiais inorgânicos são quimicamente incompatíveis, resultando em toxicidade, corrosão, ou reações cruzadas que degradam a eficiência. A data, a abordagem tem sido manter os componentes biológicos e abióticos fisicamente separados por distâncias macroscópicas (milímetro a centímetro). No entanto, isso acarreta um alto custo em termos de eficiência, devido a perdas de resistência (da ordem de 25 por cento da voltagem da célula) causadas pelo transporte de íons entre os componentes, tornando impraticável o aumento de escala para níveis comercialmente relevantes.

Em sistemas eletroquímicos, em termos gerais, uma reação de oxidação no ânodo e uma reação de redução no cátodo criam uma força motriz para o fluxo de elétrons, convertendo assim energia química em energia elétrica ou vice-versa. Como prova de conceito, os pesquisadores acoplaram eletroquimicamente Shewanella oneidensis, uma bactéria anaeróbia, a um catalisador inorgânico, dióxido de estanho (SnO2). Com 2 nanômetros de espessura, a membrana de sílica permitiu o fluxo de corrente enquanto bloqueava o transporte de oxigênio e outras moléculas pequenas.

Este estudo baseia-se no trabalho anterior do grupo de Frei, no qual eles fabricaram um fotossistema artificial de uma polegada quadrada, na forma de uma matriz de nanotubos de núcleo-casca inorgânica, e pelo grupo de Ajo-Franklin, no qual uma visão em nível molecular revelou como a proteína da membrana celular externa interage com uma superfície de óxido inorgânico.