Waterstofgas wordt gezien als brandstof van de toekomst omdat het schoon en onuitputtelijk is. Bij verbranding ervan komt alleen waterdamp vrij, terwijl bij de verbranding van fossiele brandstoffen ook het broeikasgas koolstofdioxide vrijkomt. Er zijn al verschillende productiemethoden bekend om waterstof te produceren. Een daarvan maakt gebruik van zonlicht, maar helaas is de productie van waterstof uit zonlicht en water nog vrij inefficiënt en duur.
Daar hebben Tongxiang Fan en collega’s van de Shanghai Jiao Tong University in China de afgelopen jaren op een creatieve manier aan gewerkt. Door vlindervleugels te gebruiken, konden ze de productie van waterstofgas twee keer zo efficiënt maken.
Voor hun onderzoek gebruikten de wetenschappers twee soorten zwarte pages als model. Van vlinders is al lang bekend dat hun kleine schubben als natuurlijke ‘zonnecollectoren’ dienen. “Er zijn meer dan vijftienduizend vlindersoorten en velen van hen gebruiken zonlicht op een slimme manier. Daar wilde ik van leren”, schrijft Fan in een e-mail.
Vlinders kunnen met hun stofwisseling alleen niet genoeg warmte opwekken om actief te blijven als het koud is. Daarom slaan ze hun vleugels uit in de zon, waarbij hun schubben het zonlicht opnemen en de kleine lichamen opgewarmd worden.
Belangrijke ribbels
Door met een elektronenmicroscoop naar de schubben van de vlinder te kijken konden Fan en collega’s de meest kleine details van de zwarte vlindervleugels zien. Aanvankelijk dachten de wetenschappers dat de zwarte kleur de belangrijkste reden van de efficiënte energieopslag in de vleugels was, maar de schubben bleken ook aandacht te verdienen. Fan zag door de microscoop langwerpige, rechthoekige schubben die net als dakpannen over elkaar heen lagen. Over de gehele lengte van de schub liepen ribbels met aan beide kanten hele kleine gaatjes die uitkwamen op een onderliggende laag.
Die ribbels bleken erg belangrijk. Fan legt uit: “De steile wanden van de ribbels zorgen ervoor dat het zonlicht in de gaatjes valt. Zonlicht met lange golflengtes wordt opgenomen door de ribbels en het licht met de korte golflengtes valt door de gaatjes op een membraan onder de schubben. In dat membraan bevindt zich melanine, het pigment dat ook voor de kleuring van de menselijke huid zorgt. Door de interactie tussen de ribbels, de gaatjes en het melanine, kan het zonlicht efficiënt geabsorbeerd worden.”
Dippen
De groep van Fan gebruikte vervolgens echte vlindervleugels om een model voor nieuwe zonnecollectoren te maken. Daarmee haalden ze een slim trucje uit. Ze dipten de vleugels eerst in titaniumdioxide, dat als katalysator werkt om watermoleculen in waterstof en zuurstof te splitsen. Om dat effect nog groter te maakten voegden ze ook nog platinum nanodeeltjes toe, dat ook een katalyserende werking heeft. “De ‘vlindervleugelzonnecollector’ bleek twee keer zo efficiënt in het omzetten van energie dan een collector die op dezelfde manier gebouwd was maar geen vleugels bevatte”, licht Fan zijn resultaten toe.
De onderzoekers denken dat deze techniek, gebaseerd op de vlindervleugel, ook toe te passen is op grotere schaal. Fan: “Daarnaast zou de techniek ook gebruikt kunnen worden om kunstmatig het fotosyntheseproces na te bootsen. De natuur geeft ons veel inspiratie om uitdagingen van deze tijd op te lossen. Ik kijk ook naar bomen en bijvoorbeeld bacteriën om nieuwe methoden te ontwikkelen voor de productie van groene energie.” Ook andere onderzoekers houden zich hier mee bezig. Zo publiceerde Science vorig jaar al over de productie van biobrandstoffen door bladeren na te bootsen. Misschien lost de natuur dan indirect zelf het klimaatprobleem nog op.
Bron:
- Qibin Zhao, Xingmei Guo, Tongxian Fan et.al, ‘Art of blackness in butterfly wings as natural solar collector’, Soft Matter, 7, 11433, 20 oktober 2011
- E-mailcontact met Tongxian Fan
- Persbericht van de American Chemical Society’s National Meeting and Exposition 2012