Μια ερευνητική ομάδα από το Πανεπιστήμιο της Βασιλείας της Ελβετίας έχει αναπτύξει ένα νέο μόριο που διαμορφώνεται στη φωτοσύνθεση των φυτών: υπό την επήρεια φωτός, αποθηκεύει ταυτόχρονα δύο θετικές και δύο αρνητικές χρεώσεις. Ο στόχος είναι να μετατραπεί το φως του ήλιου σε καύσιμα ουδέτερου άνθρακα.
Τα φυτά χρησιμοποιούν την ενέργεια του ηλιακού φωτός για να μετατρέψουν το CO2 σε πλούσια σε ενέργεια μόρια ζάχαρης. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται φωτοσύνθεση και αποτελεί το θεμέλιο σχεδόν όλων των ζωής: τα ζώα και οι άνθρωποι μπορούν να «κάψουν» τους υδατάνθρακες που παράγονται ξανά με αυτόν τον τρόπο και να χρησιμοποιήσουν την ενέργεια που αποθηκεύεται μέσα τους. Αυτό παράγει για άλλη μια φορά το διοξείδιο του άνθρακα, κλείνοντας τον κύκλο.
Αυτό το μοντέλο θα μπορούσε επίσης να είναι το κλειδί για τα φιλικά προς το περιβάλλον καύσιμα, καθώς οι ερευνητές εργάζονται για τη μίμηση της φυσικής φωτοσύνθεσης και τη χρήση του ηλιακού φωτός για την παραγωγή ενώσεων υψηλής ενέργειας: ηλιακά καύσιμα όπως υδρογόνο, μεθανόλη και συνθετική βενζίνη. Εάν καίγονται, θα παράγουν μόνο τόσο πολύ διοξείδιο του άνθρακα όσο χρειαζόταν για την παραγωγή των καυσίμων. Με άλλα λόγια, θα ήταν ουδέτερα από άνθρακα.
Ένα μόριο με ειδική δομή
Στο επιστημονικό περιοδικό Φύση χημείαΟ καθηγητής Oliver Wenger και ο διδακτορικός φοιτητής του Mathis Brändlin ανέφεραν τώρα ένα σημαντικό προσωρινό βήμα προς την επίτευξη αυτού του οράματος της τεχνητής φωτοσύνθεσης: έχουν αναπτύξει ένα ειδικό μόριο που μπορεί να αποθηκεύσει τέσσερις χρεώσεις ταυτόχρονα κάτω από την ακτινοβολία – δύο θετικές και δύο αρνητικές.
Η ενδιάμεση αποθήκευση πολλαπλών φορτίων αποτελεί σημαντική προϋπόθεση για τη μετατροπή του ηλιακού φωτός σε χημική ενέργεια: οι φορτίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προώθηση αντιδράσεων – για παράδειγμα, για τη διάσπαση του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο.
Το μόριο αποτελείται από πέντε μέρη που συνδέονται σε μια σειρά και το καθένα εκτελεί μια συγκεκριμένη εργασία. Η μία πλευρά του μορίου έχει δύο μέρη που απελευθερώνουν ηλεκτρόνια και είναι θετικά φορτισμένα στη διαδικασία. Δύο από την άλλη πλευρά σηκώνουν τα ηλεκτρόνια, γεγονός που τους αναγκάζει να γίνουν αρνητικά φορτισμένα. Στη μέση, οι χημικοί έβαλαν ένα συστατικό που συλλαμβάνει το φως του ήλιου και ξεκινά την αντίδραση (μεταφορά ηλεκτρονίων).
Δύο βήματα χρησιμοποιώντας φως
Προκειμένου να δημιουργήσουν τις τέσσερις χρεώσεις, οι ερευνητές έλαβαν μια σταδιακή προσέγγιση χρησιμοποιώντας δύο λάμψεις φωτός. Το πρώτο φλας φωτός χτυπά το μόριο και προκαλεί μια αντίδραση στην οποία παράγονται ένα θετικό και αρνητικό φορτίο. Αυτές οι χρεώσεις ταξιδεύουν προς τα έξω στα αντίθετα άκρα του μορίου. Με τη δεύτερη λάμψη του φωτός, η ίδια αντίδραση συμβαίνει και πάλι, έτσι ώστε το μόριο να περιέχει δύο θετικά και δύο αρνητικά φορτία.
Λειτουργεί σε αχνό φως
“Αυτή η σταδιακή διέγερση καθιστά δυνατή τη χρήση του σημαντικού φωτεινού φωτός. Ως αποτέλεσμα, ήδη κινείται κοντά στην ένταση του ηλιακού φωτός”, εξηγεί ο Brändlin. Η προηγούμενη έρευνα απαιτούσε εξαιρετικά ισχυρό φως λέιζερ, το οποίο ήταν μακριά από το όραμα της τεχνητής φωτοσύνθεσης. “Επιπλέον, τα φορτία στο μόριο παραμένουν σταθερές για να χρησιμοποιηθούν για περαιτέρω χημικές αντιδράσεις”.
Τούτου λεχθέντος, το νέο μόριο δεν έχει ακόμη δημιουργήσει ένα λειτουργικό σύστημα τεχνητής φωτοσύνθεσης. “Αλλά έχουμε εντοπίσει και εφαρμόσει ένα σημαντικό κομμάτι του παζλ”, λέει ο Oliver Wenger. Τα νέα ευρήματα από τη μελέτη συμβάλλουν στη βελτίωση της κατανόησης των μεταφορών ηλεκτρονίων που είναι κεντρικά για την τεχνητή φωτοσύνθεση. “Ελπίζουμε ότι αυτό θα μας βοηθήσει να συμβάλουμε σε νέες προοπτικές για ένα βιώσιμο ενεργειακό μέλλον”, λέει ο Wenger.
