Lehtedest päikesepatareideni: biomimeetilised lähenemised jätkusuutlikule energiale
Kestlike ja keskkonnasõbralike energiakonversioonitehnoloogiate kiire vajadus kasvab jätkuvalt, kuna maailm otsib tõhusaid lahendusi keskkonnaprobleemide vastu võitlemiseks ja netonullheite saavutamiseks aastaks 2050. Loodus, eriti taimed, pakub väga tõhusat mudelit päikeseenergia kogumiseks, süsihappegaasi neelamiseks ja muundamiseks ning kiireks elektrolüütide transpordiks nende bioloogiliste struktuuride kaudu. Need looduslikud protsessid on inspireerinud teadlasi välja töötama materjale ja seadmeid, mis jäljendavad taimede kudede ja rakkude struktuurilisi ja funktsionaalseid omadusi. Taimedest inspireeritud materjalidel põhinevad uuendused on edukalt integreeritud erinevatesse kestlike energiatehnoloogiate valdkondadesse. Näiteks päikeseenergia valdkonnas on bioinspireeritud materjalid aidanud kaasa päikesepatareide ja fotogalvaaniliste seadmete arengule, parandades oluliselt nende võimet päikesevalgust neelata ja seda suurema tõhususega elektriks muuta. Jäljendades loodusliku fotosünteesi ja transpordisüsteemide tõhusust, sillutavad need tehnoloogiad teed tõhusamate ja keskkonnasõbralikumate energialahenduste suunas. Uurides taimede fotosünteesi protsessi, on loodud fotokatalüütilisi seadmeid, mis muudavad püütud CO2 päikesevalguse toimel biokütusteks, nagu etanool, tärklis ja muud vesinikkarbonaatkütused. Erinevalt otsesest päikeseenergia kogumise ja muundamise protsessist on taimedest inspireeritud energiageneratsioon märkimisväärselt integreeritud kineetilise ja mehaanilise energiaga. Taimedest inspireeritud hüdrovoltaaziseadmed muudavad vee difusioonienergia elektriks, õppides taimede veedifusiooni gradiendi efektist. Võttes eeskuju nanovedelike transpordi omadustest ja selektiivsetest rakustruktuuridest, on välja töötatud bioinspireeritud materjale täiustatud energiasalvestusseadmete jaoks reaalses elus, nagu patareid ja superkondensaatorid. Näiteks täheldati suurenenud ioonjuhtivust ja vee säilivust tahkes olekus elektrolüütides, kuhu oli lisatud looduslikke bambusest tselluloosnanokiude, mis parandasid painduva Zn-õhu patarei elektrokeemilist jõudlust (Du jt, 2024). Taimelaadne aku (FlowER: aurustumisvoo redoks), millel on pikendatud tööiga, kujundati keskkonnasõbralikult, et toita traadita andurivõrke täppispõllumajanduse abistamiseks (Navarro-Segarra, 2022). Sarnaseid taimedest inspireeritud lahendusi on rakendatud ka teistes aktiivmetallil põhinevates akudes, sealhulgas tsinkioonakudes (Zhang jt, 2024; Dong jt, 2023). Selleks, et näidata, kuidas bioinspiratsioon sillutab teed kestlike energiatehnoloogiate jõudluse edasiseks parandamiseks, kategoriseerime taimedest inspireeritud materjalid vastavalt esilekerkivate tehnoloogiate tüüpidele.