ตัวต่อ: ต้นแบบเซลล์แสงอาทิตย์

19/01/2555 14:22:39
1,635

แปลและเรียบเรียงโดย
อรวรรณ สัมฤทธิ์เดชขจร
ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ

ท่านคิดว่าเรื่องนี้มีประโยชน์เพียงใดสามารถร่วมแสดงความคิดเห็นได้จากระบบโวตด้านบนค่ะ

นักวิทยาศาสตร์พบว่า ต่อออเรียนทัล (Oriental hornet) สายพันธุ์ เวสปา ออเรียนทาลิส (Vespa orientalis) มีพฤติกรรมแตกต่างจากต่อสายพันธุ์อื่น โดยต่อสายพันธุ์อื่นจะทำกิจกรรมในช่วงเวลาเช้าเป็นส่วนใหญ่และทำกิจกรรมลดลงในตอนเย็น ขณะที่ต่อออเรียนทัลซึ่งอาศัยอยู่ในรังใต้ดินจะทำกิจกรรมในช่วงกลางวันเป็นส่วนใหญ่ โดยปริมาณของต่องานที่บินเข้า-ออกจากรังจะสูงเป็นยกกำลังสองเมื่อเทียบกับในช่วงเช้าและช่วงเย็น

การที่ต่องาน (worker hornet) บินเข้า-ออกจากรังเพื่อทำหน้าที่ขุดดินและกำจัดดินออกจากรัง โดยการเก็บดินไว้ในปากและบินออกจากรังเป็นระยะทางสั้นๆ เพื่อทิ้งเศษดินและกลับเข้าไปในรังเพื่อขนดินออกมาทิ้งและจะทำวนเวียนเช่นนี้ (ภาพที่ 1a) ไปเรื่อยๆ ซึ่งนักวิทยาศาสตร์สังเกตว่ากิจกรรมที่เกิดขึ้นจะสัมพันธ์กับปริมาณความเข้มของแสงอาทิตย์ โดยหากแสงอาทิตย์มากการขุดดินก็จะมาก ในขณะที่แสงน้อยการขุดดินก็จะลดลง

ภาพที่ 1a แผนภาพแสดงการทำกิจกรรมของต่องาน 

ก่อนหน้านี้ Volynchik และคณะ (2008) ได้ทำการศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างสภาพอากาศ ได้แก่ อุณหภูมิ ความชื้น และรังสียูวีบีกับการทำกิจกรรมของต่องาน พวกเขาพบว่ามีเพียงรังสียูวีบีเท่านั้นที่สัมพันธ์กับการทำกิจกรรมของต่องานอย่างมีนัยสำคัญ เมื่อศึกษาถึงโครงสร้างผิวนอกของตัวต่อ (cuticle) พบว่าเป็นสารเชิงประกอบ (composite) ที่ประกอบด้วยเส้นใยไคติน (chitin filament) โปรตีน ไขมัน สารอนุพันธ์ของแคทีโคลามีน (catecholamine derivatives) และ แร่ธาตุต่างๆ

จากการสังเกตลักษณะภายนอกจะพบว่า ส่วนหัวที่เป็นสีน้ำตาลจะมีแถบสีเหลืองอยู่ 2 แห่งคือส่วนหน้า (1) และ ฐานริมฝีปากบน (clypeus) (2) และสำหรับส่วนท้องจะมีแถบสีน้ำตาลและแถบสีเหลือง 2 แถบ (3 และ 4) (ภาพที่ 1b) กระบวนการสร้างเม็ดสีนี้จะใช้เวลา 3 วัน ในช่วงนี้ต่อจะไม่กล้าสู้แสงโดยจะหลบอยู่ภายในรัง แต่เมื่อกระบวนการสร้างเม็ดสีเสร็จสมบูรณ์มันจะบินออกจากรัง

ภาพที่ 1b แสดงลักษณะของต่อออเรียนทัล

ด้วยเหตุนี้ทำให้ทีมวิจัยของมาเรียน พลอตคิน (Marian Plotkin) แห่งมหาวิทยาลัยเทลอาวีฟ (Tel-Aviv University) ตั้งสมมุติฐานว่าโครงสร้างของต่อออเรียนทัลน่าจะสามารถเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ได้ พวกเขาศึกษาในรายละเอียดพบว่า แถบสีเหลืองและสีน้ำตาลสามารถดูดกลืนแสงอาทิตย์ได้ดี (ภาพที่ 1c) โดยมีลักษณะของกราฟที่เหมือนกันคือ ดูดกลืนแสงในช่วงความยาวคลื่นสั้น ส่วนกราฟของผิวนอกสีเหลืองภายหลังจากสกัดเอาเม็ดสีออกไปแล้วนั้นจะมีการดูดกลืนแสงที่ความยาวคลื่น 250-290 นาโนเมตรซึ่งเป็นของกรดอะมิโนอะโรแมติกที่อยู่ในโปรตีนในโครงสร้างของผิวนอก

ภาพที่ 1c กราฟแสดงค่าการดูดกลืนแสงของผิวนอกที่เป็นสีน้ำตาล สีเหลือง และผิวนอกสีเหลืองภายหลังจากสกัดเม็ดสีออก

บริเวณผิวของแถบสีน้ำตาลจะมีลักษณะเป็นร่องทำให้สามารถดักแสงที่ตกกระทบได้ จากภาพถ่ายภาคตัดขวางพบว่า ประกอบด้วยชั้นย่อยๆ จำนวน 30 ชั้น โดยความหนาของชั้นจะลดลงจากชั้นนอกสู่ชั้นใน ชั้นนอกหนาราว 1-2 ไมโครเมตร (2) ในขณะที่ชั้นในหนาเพียง 30-50 นาโนเมตร (3) (ภาพที่ 1d) ซึ่งเม็ดสีน้ำตาลของเมลานินจะอยู่ในชั้นเหล่านี้

ภาพที่ 1d ภาพตัดขวางของผิวนอกสีน้ำตาล

ส่วนผิวนอกสีเหลืองจะประกอบด้วยชั้นย่อยๆ จำนวน 15 ชั้น จากภาพที่ 1e ตำแหน่งเลข 1 แสดงถึงขนที่โผล่ออกจากผิวชั้นนอก ตำแหน่งเลข 2 คือชั้นผิวชั้นนอก (exocuticle) และผิวชั้นใน (endocuticle) ใต้ผิวชั้นในคือตำแหน่งเลข 3 จะมีเม็ดสีชื่อแซนโทแทริน (xanthopterin) ซึ่งสามารถเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้าได้ และรอยบุ๋มคล้ายท่อ 1-2 แห่ง (4) ส่วนตำแหน่งเลข 5 เป็นชั้นใต้สุด (hypocuticle) สำหรับเม็ดสีนั้นหากใช้กำลังขยายกำลังสูงจะเห็นลักษณะเป็นแท่งทรงกระบอกขนาดประมาณ 500 นาโนเมตรและเรียงตัวอย่างหนาแน่น (ภาพที่ 1f)

       ภาพที่ 1e ภาพตัดขวางของผิวนอกสีเหลือง

ภาพที่ 1f แสดงลักษณะของเม็ดสีสีเหลือง

ในการพิสูจน์สิ่งที่ค้นพบ ทีมวิจัยได้สร้างเซลล์แสงอาทิตย์ที่จำลองให้คล้ายกับโครงสร้างของตัวต่อและใช้เม็ดสีแซนโทแทริน น่าเสียดายว่าผลการพิสูจน์แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพในการเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้าที่ต่ำ แต่นั่นเป็นเพราะตัวต่อมีโครงสร้างที่ค่อนข้างซับซ้อนทำให้การจำลองโครงสร้างเซลล์แสงอาทิตย์อาจไม่ถูกต้องนัก แต่อย่างน้อยผลนี้ก็ทำให้มั่นใจได้ว่ามีความเป็นได้ที่จะสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ที่เลียนแบบตัวต่อ เพียงแต่ทีมวิจัยจะต้องพยายามหาวิธีการสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ให้มีโครงสร้างที่ซับซ้อนเช่นตัวต่อให้สำเร็จ

เอกสารอ้างอิงและแหล่งภาพประกอบ
1. Marian Plotkin et al. Solar energy harvesting in the epicuticle of the oriental hornet (Vespa orientalis).Naturwissenschaften, 2010, 97, 1067-1076.
2. http://news.discovery.com/tech/hornet-has-natural-solar-cells-in-its-body.html
3. http://www.enviro-news.com/news/oriental-hornet-solar-cell-research.html
4. http://www.sciencenews.org/view/generic/id/67775/title/Hornet_pigment_drives_solar_cell_in_lab