斯坦福大学科学家利用DNA研究清洁能源

根据斯坦福大学的一项最新研究，开启清洁能源的关键可能与我们的DNA有关。通过合成DNA与微观粒子的结合，Yuran Zhang和一个地热能研究团队希望开发世界上可以广泛利用但却往往被忽视的清洁能源。

地热是来自地球内部的热量，地热能的产生是通过提取热量并将其转化成电能。实际上，热能通过地下深处的裂缝或断裂处移动，因此，地热工程师们必须要对地质情况以及这些裂缝的位置和方向有深入的了解，在这个方面，DNA和纳米技术就有了用武之地。

“目前，尽管有先进的地震成像、示踪试验和其它成像及传感技术，但是对于储层裂缝网络的分布还不是很清楚，”这篇研究论文的第一作者Zhang说，他是斯坦福大学地球、能源与环境科学学院的研究生。

“纳米示踪剂能够带给我们更多的储层信息，从温度的分布到裂缝的几何形状，” Zhang继续说道。

医学研究人员已经试验了将药物包裹在纳米粒子中，让其在人体内循环，在某个特定温度下纳米粒子熔化或打开从而将药物释放出来，达到治疗目的。地球内部的温度较高，地热纳米示踪剂基本上能够以同样的方式工作，使研究人员可以更好地了解地下热能资源。

油藏工程师将示踪剂注入到地热场中来绘制图像，在遍布于较大区域的多个站点，工程师们会重复这样的工作。如果粒子弹出到其它热能井中的话，想要确定它们从哪个热能井开始进入的，就几乎不可能了。这就限制了更好利用地热能所需的关键信息。

“在纳米示踪剂中加入DNA就能在很大程度上解决这个问题，”Zhang说。“DNA几乎有无限多个序列号。利用独特的DNA标记将每一批示踪剂进行编码，我们就能获得我们需要的温度分布以及裂缝几何形状的清晰图像。”

在这项研究中，Zhang和她的研究团队在二氧化硅纳米粒子和一个额外的二氧化硅壳之间以合成的方法嵌入衍生的DNA分子。然后，他们通过沙袋，在不同温度下，将这些粒子注入，看看独特的DNA标签和二氧化硅壳是否能在旅途中存活下来，这种情况类似于它们在热能场中的经历。

“我们非常惊讶地发现粒子能够在302华氏度(150摄氏度)的高温下存在，这意味着它们可以在地热场的极端环境下生存，”Zhang说。

目前，虽然更好地了解地下情况对于开发地热场有利，但是未来的地热发电可能来自于增强型地热系统，在这个系统中人们将水注入地下致岩石破裂从而挤出地热。

“这个初步研究结果让我们向利用地热资源迈出了重要一步，而地热资源目前是非常难以开采的，”这项研究的合作者罗兰 霍恩称，他是斯坦福地热项目(Stanford Geothermal Program)的主任。

“由于不同的地质情况和裂缝的几何形态，每一个增强型地热系统都是独一无二的，”霍恩说。“为了正确地开发系统，我们需要了解，这些裂缝是如何连接在一起的，以及温度场是如何分布的。DNA嵌入纳米示踪剂是一个得力的工具，能够帮助我们提升地热能的全球利用潜力。”

保守估计，如果增强型地热系统能够被优化的话，有一天，地热能可以提供世界上5%的电力供应。虽然这个数字听起来很小，但是霍恩和Zhang认为地热能将在我们未来的能源领域扮演重要的角色。

“22万亿千瓦时的5%，已经是很大的能量了，”霍恩说。