Вчені знайшли камені, які перетворюють світло в електрику

Знайдено ряд природних мінералів, в яких під дією світла виникає електричний струм.

Вчені виявили виникнення електричного струму в неорганічних системах, що нагадує перші етапи засвоєння енергії Сонця бактеріями і рослинами в процесі фотосинтезу. Відкрите явище протікає в різних мінералах і ґрунтах. На відміну від звичайного фотосинтезу, в даному випадку беруть участь тільки неорганічні сполуки, які не мають відношення до діяльності живих форм. Відкритий феномен може грати важливу роль в біогеохімічних процесах, пишуть автори в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences.

Фотосинтез — процес перетворення енергії сонячного випромінювання в енергію хімічних зв'язків — є основою життя на Землі. Здатні до фотосинтезу організми, в основному рослини і бактерії, протягом еволюції розвинули виключно складні системи для уловлювання фотонів і перетворення їх енергії.

Фотосинтез різних видів може досить сильно відрізнятися в деталях, але в загальних рисах він схожий. Зокрема, на перших етапах — світловій фазі — поглинаючи фотона спеціальними комплексами білків дозволяє відірвати електрон від відповідного з'єднання, в ролі якого часто виступає вода. Отримані в результаті серії реакцій молекули кисню виділяються в атмосферу, а енергія іонів водню і електронів використовуються клітинами для синтезу інших сполук.

Люди також навчились створювати спеціальні матеріали, здатні ефективно перетворити сонячне світло в інші види енергії. Зокрема, сонячні батареї, що виробляють електричний струм під дією світла, працюють на основі фотоефекту — випущенні матеріалами електронів при поглинанні фотонів. Проте до недавнього часу не було відомо прикладів природного виникнення струмів під дією світла в неживій природі.

Вчені з Китаю, Канади і США вперше описали неживий аналог перших етапів фотосинтезу. Авторам вдалося виявити ефект в різних системах, таких як утворюючі на поверхні каменів в сухому і спекотному кліматі мінеральні кірки (пустельна засмага), а також в частинках декількох видів ґрунтів.

Електронна мікроскопія і рентгенівська спектроскопія дозволили з'ясувати склад речовин, у яких виникав виявлений феномен. Виявилося, що вони в основному складаються зі змішаних оксид-гідроксидів заліза і марганцю з напівпровідниковими властивостями. Вміст марганцю виявився особливо високим у порівнянні з нижньою речовиною. Вчені виміряли фотострум у зразках каменів з пустелі: виявилося, що в багатих залізом і марганцем мінералах електрони приходять в рух під дією світла на поверхні, але цього не спостерігається в товщих матеріалах.

Виміряні параметри електричних струмів залишалися стабільними при постійному освітленні, але швидко реагували на його зміну, а ефективність перетворення фотонів у проваджуючі електрони залишалася незмінною. Автори вважають, що фотострум виникає в таких багатих залізом і марганцем мінералах, як бирнесит, гематит і гетит.

На даний момент немає точних даних про можливий великий вплив виявленого феномена на біологічні чи геологічні процеси. Однак, автори висувають гіпотезу, що в місцях з широкою поширеністю подібних покриттів на каменях можуть протікати незвичайні для неживої природи хімічні реакції, такі як фотокаталітичні розкладання води з виділенням кисню. Іншим варіантом є участь виникаючих струмів в метаболізмі живих організмів шляхом здійснення відновлення деяких речовин.

Вчені давно намагаються штучно відтворити фотосинтез у контрольованих умовах. Серед останніх досягнень в цій області можна назвати збірку апарату фотосинтезу в штучній клітці та отримання синтетичної системи, яка значно перевершує рослини за ефективності перетворення світла в біомасу.