在藻類生長池壁上施加小電壓可以防止混濁積聚并允許更多的光合作用發生。

在提供二氧化碳的透明水箱或管子中生長的藻類可以將溫室氣體轉化為其他化合物，例如食品補充劑或燃料。但是這個過程會導致藻類在表面上積聚，使它們變得渾濁并降低效率，需要每隔幾周進行一次費力的清理程序。

麻省理工學院的研究人員提出了一種簡單而廉價的技術，可以大大限制這種結垢，從而有可能以一種更有效、更經濟的方式將不需要的溫室氣體轉化為有用的產品。

關鍵是在透明容器上涂上可以容納靜電荷的材料，然后在該層上施加非常小的電壓。該系統在實驗室規模的測試中運行良好，隨著進一步的開發，可能會在幾年內應用于商業生產。

研究結果發表在《功能材料》雜志上，近麻省理工學院畢業生Victor Leon PhD ' 23，機械工程教授Kripa Varanasi，前博士后Baptiste Blanc和本科生Sophia Sonnert的一篇論文中。

瓦拉納西指出，無論減少或消除碳排放的努力多么成功，在未來幾個世紀內，仍將有過量的溫室氣體留在大氣中，繼續影響全球氣候。“那里已經有很多二氧化碳，所以我們也必須考慮負排放技術，”他說，指的是從空氣或海洋中去除溫室氣體的方法，或者在它們首先被釋放到空氣中之前從它們的來源中去除溫室氣體。

當人們想到二氧化碳減排的生物學方法時，首先想到的通常是種植或保護樹木，這確實是大氣碳的關鍵“匯”。但還有其他人。“海洋藻類約占當今地球上吸收的全球二氧化碳的50%，”瓦拉納西說。這些藻類的生長速度是陸地植物的 10 到 50 倍，它們可以在僅占陸地植物土地足跡十分之一的池塘或水箱中生長。

更重要的是，藻類本身可以成為有用的產品。“這些藻類富含蛋白質，維生素和其他營養素，”瓦拉納西說，并指出它們每單位土地使用的營養產量遠遠超過一些傳統農作物。

如果附著在煤炭或天然氣發電廠的煙氣輸出上，藻類不僅可以依靠二氧化碳作為營養來源茁壯成長，而且一些微藻物種還可以消耗這些排放物中存在的相關氮和硫氧化物。“每兩三公斤一氧化碳2，可以生產一公斤藻類，這些藻類可以用作生物燃料，或用于Omega-3或食物，“瓦拉納西說。

Omega-3脂肪酸是一種廣泛使用的食品補充劑，因為它們是細胞膜和其他組織的重要組成部分，但不能由身體制造，必須從食物中獲得。“歐米茄3特別有吸引力，因為它也是一種價值更高的產品，”瓦拉納西說。

大多數商業種植的藻類是在淺池塘中培養的，而其他藻類則在稱為光生物反應器的透明管中生長。對于給定數量的土地，這些管子的產量可以比池塘高 10 到 <> 倍，但它們面臨著一個主要問題：藻類往往會積聚在透明的表面上，需要經常關閉整個生產系統進行清潔，這可能需要與周期的生產部分一樣長的時間， 從而將總產量減半并增加運營成本。

結垢也限制了系統的設計。管子不能太小，因為結垢會開始阻塞水流通過生物反應器，并且需要更高的泵送速率。

瓦拉納西和他的團隊決定嘗試利用藻類細胞的自然特征來抵御污垢。由于細胞在其膜表面自然攜帶小的負電荷，研究小組認為靜電排斥可以用來將它們推開。

這個想法是在容器壁上產生負電荷，這樣電場迫使藻類細胞離開壁。要產生這樣的電場，需要一種高性能的介電材料，這是一種具有高“介電常數”的電絕緣體，可以在較小的電壓下產生較大的表面電荷變化。

“人們以前對[生物反應器]施加電壓所做的工作是導電表面，”Leon解釋說，“但我們在這里所做的是專門針對非導電表面。

他補充說：“如果它是導電的，那么你通過電流，你就有點電擊細胞。我們試圖做的是純粹的靜電排斥，所以表面是負的，細胞是負的，所以你會得到排斥。另一種描述它的方式就像一個力場，而在細胞接觸表面并受到電擊之前。

該團隊使用兩種不同的介電材料，二氧化硅（本質上是玻璃）和鉿（氧化鉿），這兩種材料在減少結垢方面都比用于制造光生物反應器的傳統塑料更有效。該材料可以應用于非常薄的涂層中，厚度僅為10至20納米（十億分之一米），因此幾乎不需要涂覆完整的光生物反應器系統。

“我們在這里感到興奮的是，我們能夠證明純粹通過靜電相互作用，我們能夠控制細胞粘附，”瓦拉納西說。“這幾乎就像一個開關，能夠做到這一點。

此外，Leon說：“由于我們正在使用這種靜電力，我們并不真正期望它是細胞特異性的，我們認為有可能將其應用于藻類以外的其他細胞。在未來的工作中，我們想嘗試將其用于哺乳動物細胞，細菌，酵母等。它也可以與其他有價值的藻類一起使用，如螺旋藻，這些藻類被廣泛用作食品補充劑。

同一系統可用于通過反轉電壓來排斥或吸引電池，具體取決于特定應用。瓦拉納西建議，代替藻類，類似的設置可以用于人類細胞，通過產生一個可以充電以吸引細胞進入正確配置的支架來產生人造器官。

“我們的研究基本上解決了生物污染這一主要問題，這一直是光生物反應器的瓶頸，”他說。“有了這項技術，我們現在可以真正發揮這種系統的全部潛力”，盡管需要進一步開發才能擴展到實用的商業系統。

至于這多久可以準備好進行廣泛部署，他說，“如果我們獲得合適的資源來推進這項工作，我不明白為什么不在三年內。

該研究得到了能源公司Eni S.p.A.通過麻省理工學院能源計劃的支持。