Uusi molekyyli tekee keinotekoisesta fotosynteesistä lähellä todellisuutta

Luonnollisen fotosynteesin korvaaminen

Suoraan tai epäsuorasti, valtava määrä käyttämästämme energiasta on tuotettu fotosynteesin kautta.

Tämä pätee tietenkin kehoamme voimanlähteenä käyttäviin kaloreihin, mutta viime kädessä myös fossiilisiin polttoaineisiin, jotka ovat vain "varastoitua" fotosynteesiä aikoja sitten kuolleista kasveista.

Niinpä monet pyrkimykset energia- ja ruokajärjestelmämme vihreämmäksi tekemiseksi on omistettu joko luonnollisen fotosynteesin parantamiselle tai hyödyntämällä sitä uusiin käyttötarkoituksiin, kuten biopolttoaineiden luomiseen levistä.

Sen rakentaminen mittakaavassa voisi osoittautua ratkaisevaksi ilmakehän nousevan hiilidioksidipitoisuuden rajoittamisessa.

Mutta entä jos voisimme jäljitellä fotosynteesiprosessia ilman, että meidän tarvitsisi käsitellä eläviä organismeja? Se on loppujen lopuksi sähkökemiallinen prosessi, joka ei välttämättä vaadi eläviä soluja. Tämä on niin kutsutun "keinotekoisen fotosynteesin" lupaus.

Se nostaisi kykymme talteen ottaa auringon energiaa askeleen aurinkosähkön yläpuolelle, joka voi "vain" tuottaa sähköä auringonvalosta, mutta ei suoraan vaikuttaa kemiallisiin reaktioihin.

Jonkin verran edistystä on tapahtunut, erityisesti fotosynteesin kaltaisen vedyn tuotannon suuntaanmutta tarkemman kopion löytämiseksi tarvitaan lisää työtä.

Miten fotosynteesi toimii luonnossa

Kasveissa fotosynteesi on karkeasti sanottuna yksinkertaisimmassa muodossaan prosessi, jossa otetaan hiilidioksidia ja vettä, käytetään valoa energianlähteenä ja tuotetaan hiilihydraatteja ja happea.

Lähde: Britannica

Ensi silmäyksellä näyttää siltä, ​​että tämä voidaan pelkistää hyvin yksinkertaiseksi kemialliseksi yhtälöksi ja se voitaisiin helposti toistaa keinotekoisesti.

Lähde: Britannica

Se onkin sitten toinen tarina, kun katsoo, miten se oikeasti tehdään.

Kasvien fotosynteesi on itse asiassa yksi monimutkaisimmista biokemiallisista koneistoista, jossa on kymmeniä välittäjäreaktioita, lukemattomia osakomponentteja ja joskus ei niin hyvin ymmärrettyjä molekyylimekanismeja, joihin liittyy monimutkaisia ​​elektronien liikkeitä.

Tämän aiheen synteettinen selitys Britannica-tietosanakirjassa on vähintään 10,000 XNUMX sanaa.

Sitä tutkivien tiedemiesten on käsiteltävä melko monimutkaisempia kaavioita saadakseen edes yleiskuvan fotosynteesistä:

Lähde: Lumen-oppiminen

Vaikka luonnossa fotosynteesiä käytetään enimmäkseen hiilihydraattien luomiseen, sitä voitaisiin teoriassa käyttää monissa muissakin sovelluksissa, joissa valoa käytetään energialähteenä, kuten esimerkiksi vedyn synteesissä vedestä (fotokatalyysi).

Samankaltaista valon indusoimaa elektronien ja ionien liikettä voitaisiin käyttää myös sokerien keinotekoiseen luomiseen. Kolme tutkijaa työskentelee Baselin yliopistossa (Sveitsissä). He julkaisivat äskettäin Nature Chemistry -lehdessä.¹ heidän tuloksensa uudesta molekyylistä, jota voitaisiin käyttää keinotekoiseen fotosynteesiin, otsikolla "Valon indusoima kaksoisvarauksen kertyminen molekyyliyhdisteeseen".

Keinotekoisen klorofyllin rakentaminen

Monivaraiset molekyylit

Luonnollinen fotosynteesi perustuu sarjaan sähkökemiallisia reaktioita. Tämän seurauksena se vaatii niin sanotun varauserottelutilan (CSS), jossa molekyylillä on samanaikaisesti sekä positiivinen että negatiivinen varaus.

Tärkeää on, että polttoaineen muodostumisreaktiot vaativat useita elektroneja, eivät vain yhtä, mikä on tähän mennessä ollut paras keinotekoisten fotosynteesijärjestelmien saavuttama ominaisuus.

Erityisesti hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi monielektronien siirto näyttää olevan olennaista, minkä vuoksi useimmat keinotekoiset fotosynteesiratkaisut ovat tähän mennessä keskittyneet vedyn tuotantoon.

Tässä kohtaa sveitsiläisten tutkijoiden löytö muuttaa asioita luomalla erityisen molekyylin, joka voi tuottaa ja varastoida samanaikaisesti neljä varausta valosäteilyn alaisena – kaksi positiivista ja kaksi negatiivista.

Lähde: luonto

Kuinka se toimii?

Molekyylissä on keskiosa, joka on herkkä valolle ja tuottaa elektronin liikkeen vasteena. Tutkijat käyttivät peräkkäistä lähestymistapaa käyttämällä kahta valonvälähdystä.

Ensimmäinen valonvälähdys osuu molekyyliin ja laukaisee reaktion, jossa syntyy positiivinen ja negatiivinen varaus, jotka liikkuvat kohti molekyylin vastakkaista päätä.

Toisella valonvälähdyksellä sama reaktio tapahtuu uudelleen, joten molekyylissä on sitten kaksi positiivista ja kaksi negatiivista varausta.

Lähde: luonto

Parannettu valoherkkyys

Peräkkäinen vaihe, jossa valoa käytetään kaksivaiheisessa prosessissa, on tärkeä paitsi kaksinkertaisen sähkövarauksen keräämiseksi molekyylin molempiin päihin, myös kunkin vaiheen tarvittavan energian vähentämiseksi, jolloin se voi toimia aiempaa pienemmällä valoteholla.

Lähde: luonto

"Tämän seurauksena olemme jo siirtymässä lähelle auringonvalon intensiteettiä."

Aiempi tutkimus vaati erittäin voimakasta laservaloa, mikä oli kaukana keinotekoisen fotosynteesin visiosta.

Mathis Brändlin – tohtoriopiskelija Baselin yliopistossa

Miksi tämä molekyyli on tärkeä askel eteenpäin

Tämän uuden molekyylin toinen ominaisuus on, että se säilyttää varauksensa riittävän pitkään, jotta sitä voidaan käyttää jatkossa kemiallisten reaktioiden käynnistämiseen, mikä on välttämätöntä kaikissa täydellisessä keinotekoisessa fotosynteesijärjestelmässä.

"Olemme tunnistaneet ja toteuttaneet tärkeän palasen palapelissä."

Toivomme, että tämä auttaa meitä luomaan uusia kestävän energian tulevaisuuden näkymiä.”

PR. Oliver Wenger – Baselin yliopisto

120 mikrosekunnin varauksenpidolla (tuhannen tai miljoonan kerran parempi kuin ennen) tämän pitäisi riittää kemiallisiin reaktioihin, vaikka ihanteellinen kesto mitattaisiin sekunneissa.

Joten verrattuna aiemmissa kokeissa kokeiltuihin yksivaraisiin tai vain yhden tyyppiseen varaukseen perustuviin valoherkkiin molekyyleihin, tämä on tähän mennessä lupaavin molekyyli keinotekoisen fotosynteesin kehittämiseen.

Suunnittelun lisämuutokset voisivat parantaa sen kykyä toimia luonnonvalossa tai säilyttää sähkövaraukset entistä pidempään.

Toinen vielä suunnittelematon keskeinen osa keinotekoista fotosynteesiprosessia on pigmentti, jolla on korkeaenergisiä viritystiloja, sekä sopivat katalyytit, jotka tarjoavat riittävän redox-tehon veden hajottamiseen tai CO2:n vähentämiseen.

Pyyhkäise vierittääksesi →

Kestävään innovaatioon investoiminen

DuPont

DuPont on valtava kemianalan yritys monia tärkeitä merkkikemikaaleja, kuten Kevlar, styroks, Nomex (palosuojaus), Great Stuff (rakennusliima) jne. Sen edistyneet polymeeritutkimus- ja suojamateriaalibrändit voisivat asettaa sen hyötymään kaksoisverkostometamateriaaliteknologioista.

DuPont on ikivanha yritys, jolla on monimutkainen yritysostojen historia ja viime aikoina sarja spin-off-yrityksiä.

Lähde: DuPont

Nämä spin-offit ovat erottaneet DuPontista ravitsemustieteen ja biotieteiden osastot, jotka on osittain myyty Corteva Biosciencesille (CTVA -0.95 %), titaanituotteita Chemours Companyn muodostamiseksi (CC -1.05 %), ja liikkuvuus.

Se myös eroaa elektroniikkakemikaaliliiketoiminnastaan ​​marraskuussa 2025, mutta säilyttää vesisegmentin (kalvot ja suodattimet veden puhdistamiseen ja suolanpoistoon), toisin kuin aikaisemmat suunnitelmat.

Lähde: DuPont

Tämä jättää DuPontista paljon keskittyneemmän yrityksen, jonka ydintoimintaa ovat edistyneet polymeerit vedenpuhdistus- ja suojauslaitteissa sekä edistyneet materiaalit ilmailu- ja avaruusteollisuudessa, terveydenhuollossa ja sähköajoneuvoissa.

Lähde: DuPont

DuPont on aidosti kansainvälinen yhtiö, jolla on suuri kysyntä erikoiskemikaaleille vedenpuhdistuksessa ja teollisessa valmistuksessa.

DuPont Chemicalsin palvelemat toimialat ovat myös hyvin vaihtelevia, mukaan lukien rakentaminen, vedenpuhdistus, elektroniikkateollisuus, autoteollisuus, ilmailu- ja avaruusteollisuus, terveydenhuolto, vihreä energia ja teollisuustuotanto.

Lähde: DuPont

Kemianteollisuusyritys työskentelee parhaillaan keinotekoisen fotosynteesin teknologian parissa. kumppanuuksien kautta akateemisen maailman, erityisesti Penn Universityn, kanssa.

”Tämän yhteistyötutkimuksen tavoitteena on kehittää laajalti sovellettava laskennallinen protokolla … nopeuttamaan sellaisten fotoaktiivisten materiaalien valintaa, jotka voivat tehokkaasti jakaa veden vedyksi ja hapeksi.”

DuPontin vahva läsnäolo suojavarusteissa ja vakiintunut asema Kevlar-tuotemerkin, korkean suorituskyvyn polymeerin, kanssa auttaisivat sitä mukaa uusien metamateriaalien mukauttamista kaupallisiksi tuotteiksi. Ja sen läsnäolo vihreän energian alalla auttaisi kaupallistamaan kemikaaleja mahdollista keinotekoista fotosynteesiä varten.

Joka tapauksessa uusien teknologioiden ja veden kulutuksen kasvaessa DuPontin valmistamien kehittyneiden kemikaalien kysyntä kasvaa.

Dupontin (DD) osakeuutiset ja -kehitys

Viitattu tutkimus

^{1. Brändlin, M., Pfund, B. & Wenger, OS Valoindusoitu kaksoisvarauksen kertyminen molekyyliyhdisteeseen. NatURE. Chemistry. (2025). https://doi.org/10.1038/s41557-025-01912-x}