Найдены превращающие свет в электричество камни

Пустынный загар — минеральная корка на камнях — пример системы, в которой обнаружен новый эффект

Mark Marathon / Wikimedia Commons

Ученые обнаружили возникновение электрического тока в неорганических системах, что напоминает первые этапы усваивания энергии Солнца бактериями и растениями в процессе фотосинтеза. Открытое явление протекает в различных минералах и почвах. В отличие от обычного фотосинтеза, в данном случае участвуют только неорганические соединения, которые не имеют отношения к деятельности живых форм. Открытый феномен может играть важную роль в биогеохимических процессах, пишут авторы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Фотосинтез — процесс превращения энергии солнечного излучения в энергию химических связей — является основой жизни на Земле. Способные к фотосинтезу организмы, в основном растения и бактерии, в течение эволюции развили исключительно сложные системы для улавливания фотонов и преобразования их энергии.

Фотосинтез различных видов может достаточно сильно отличаться в деталях, но в общих чертах он схож. В частности, на первых этапах — световой фазе — поглощение фотона специальными комплексами белков позволяет оторвать электрон от подходящего соединения, в роли которого часто выступает вода. Получающиеся в результате серии реакций молекулы кислорода выделяются в атмосферу, а энергия ионов водорода и электронов используется клетками для синтеза других соединений.

Люди также научились создавать специальные материалы, способные эффективно преобразовать солнечный свет в другие виды энергии. В частности, солнечные батареи, вырабатывающие электрический ток под действием света, работают на основе фотоэффекта — испускании материалами электронов при поглощении фотонов. Однако до недавнего времени не было известно примеров естественного возникновения токов под действием света в неживой природе.

Ученые из Китая, Канады и США впервые описали неживой аналог первых этапов фотосинтеза. Авторам удалось обнаружить эффект в различных системах, таких как образующиеся на поверхности камней в сухом и жарком климате минеральные корки (пустынный загар), а также в частицах нескольких видов почв.

Электронная микроскопия и рентгеновская спектроскопия позволили выяснить состав веществ, в которых возникал обнаруженный феномен. Оказалось, что они в основном состоят из смешанных оксид-гидроксидов железа и марганца с полупроводниковыми свойствами. Содержание марганца оказалось особенно высоким по сравнению с нижележащим веществом. Ученые измерили фототок в образцах камней из пустыни: оказалось, что в богатых железом и марганцем минералах электроны приходят в движение под действием света на поверхности, но этого не наблюдается в толще материала.

Измеренные параметры электрических токов оставались стабильными при постоянном освещении, но быстро реагировали на его изменение, а эффективность преобразования фотонов в проводящие электроны оставалась неизменной. Авторы считают, что фототок возникает в таких богатых железом и марганцем минералах, как бирнессит, гематит и гётит.

На данный момент нет точных данных о возможном крупномасштабном влиянии обнаруженного феномена на биологические или геологические процессы. Тем не менее, авторы выдвигают гипотезу, что в местах с широкой распространенностью подобных покрытий на камнях могут протекать необычные для неживой природы химические реакции, такие как фотокаталитическое разложение воды с выделением кислорода. Другим вариантом является участие возникающих токов в метаболизме живых организмов путем осуществления восстановления некоторых веществ.

Ученые давно пытаются искусственно воссоздать фотосинтез в контролируемых условиях. Среди недавних достижений в этой области можно назвать сборку аппарата фотосинтеза в искусственной клетке и получение синтетической системы, которая значительно превосходит растения по эффективности превращения света в биомассу.

Тимур Кешелава

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.