Phân tử mới khiến quang hợp nhân tạo gần trở thành hiện thực

Thay thế quang hợp tự nhiên

Trực tiếp hay gián tiếp, một lượng lớn năng lượng mà chúng ta sử dụng đều được tạo ra thông qua quá trình quang hợp.

Tất nhiên, điều này đúng với lượng calo cung cấp năng lượng cho cơ thể chúng ta, nhưng cuối cùng cũng đúng với nhiên liệu hóa thạch, vốn chỉ là quá trình quang hợp được "lưu trữ" từ những cây đã chết từ hàng triệu năm trước.

Vì vậy, nhiều nỗ lực để làm cho hệ thống năng lượng và thực phẩm của chúng ta xanh hơn đã được dành cho việc cải thiện quá trình quang hợp tự nhiên hoặc tận dụng nó cho những mục đích sử dụng mới, như tạo ra nhiên liệu sinh học từ tảo.

Việc xây dựng nó ở quy mô lớn có thể đóng vai trò quan trọng trong việc hạn chế nồng độ CO2 ngày càng tăng trong khí quyển.

Nhưng nếu chúng ta có thể mô phỏng quá trình quang hợp mà không cần phải tác động đến các sinh vật sống thì sao? Suy cho cùng, đây là một quá trình điện hóa không nhất thiết đòi hỏi sự tham gia của tế bào sống. Đây chính là lời hứa hẹn của cái gọi là "quang hợp nhân tạo".

Nó sẽ nâng cao khả năng thu năng lượng mặt trời của chúng ta lên một tầm cao mới so với quang điện, vốn “chỉ” có thể tạo ra điện từ ánh sáng mặt trời, nhưng không ảnh hưởng trực tiếp đến các phản ứng hóa học.

Một số tiến bộ đã được thực hiện, đáng chú ý là hướng tới sản xuất hydro giống như quang hợpnhưng cần nhiều công sức hơn để có được bản sao gần giống hơn.

Quá trình quang hợp diễn ra như thế nào trong tự nhiên

Ở thực vật, quang hợp, nói một cách nôm na, là quá trình hấp thụ CO2 và nước, sử dụng ánh sáng làm nguồn năng lượng, và tạo ra carbohydrate và oxy.

Nguồn: Anh

Thoạt nhìn, có vẻ như điều này có thể được rút gọn thành một phương trình hóa học rất đơn giản và có thể dễ dàng sao chép một cách nhân tạo.

Nguồn: Anh

Nhưng đó lại là một câu chuyện khác nếu bạn xem xét cách thực hiện thực tế.

Quá trình quang hợp của thực vật thực sự là một trong những cơ chế sinh hóa phức tạp nhất, với hàng chục phản ứng trung gian, vô số thành phần phụ và đôi khi là các cơ chế phân tử chưa được hiểu rõ liên quan đến chuyển động phức tạp của các electron.

Giải thích tổng hợp về chủ đề này trong bách khoa toàn thư Britannica không ít hơn 10,000 từ.

Các nhà khoa học nghiên cứu về quang hợp phải xử lý các sơ đồ phức tạp hơn nhiều để có cái nhìn tổng quan về quá trình quang hợp:

Nguồn: Lumen học

Mặc dù chủ yếu được sử dụng trong tự nhiên để tạo ra carbohydrate, về mặt lý thuyết, quang hợp có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác bằng cách sử dụng ánh sáng làm nguồn năng lượng, chẳng hạn như tổng hợp hydro từ nước (quang xúc tác).

Một quá trình tương tự về chuyển động electron và ion do ánh sáng tạo ra cũng có thể được sử dụng để tạo ra đường nhân tạo. Đây là ý tưởng mà ba nhà khoa học tại Đại học Basel (Thụy Sĩ) đang nghiên cứu. Họ vừa công bố nghiên cứu này trên tạp chí Nature Chemistry.¹ kết quả của họ liên quan đến một phân tử mới có thể được sử dụng cho quá trình quang hợp nhân tạo, dưới tiêu đề “Sự tích tụ điện tích kép do ánh sáng gây ra trong hợp chất phân tử".

Xây dựng chất diệp lục nhân tạo

Phân tử đa điện tích

Quá trình quang hợp tự nhiên dựa trên một loạt các phản ứng điện hóa. Kết quả là, nó đòi hỏi trạng thái được gọi là tách điện tích (CSS), trong đó một phân tử mang đồng thời cả điện tích dương và điện tích âm.

Điều quan trọng là các phản ứng hình thành nhiên liệu cần nhiều electron chứ không chỉ một, đây là điều tốt nhất mà hệ thống quang hợp nhân tạo có thể đạt được cho đến nay.

Đối với việc giảm CO2 nói riêng, quá trình truyền đa electron dường như là điều cần thiết, đó cũng là lý do tại sao hầu hết các giải pháp quang hợp nhân tạo cho đến nay đều tập trung vào việc tạo ra hydro.

Đây chính là nơi mà khám phá của các nhà nghiên cứu Thụy Sĩ đang thay đổi mọi thứ, với việc tạo ra một phân tử đặc biệt có thể tạo ra và lưu trữ bốn điện tích cùng lúc dưới sự chiếu xạ của ánh sáng – hai điện tích dương và hai điện tích âm.

Nguồn: Thiên nhiên

Nó hoạt động như thế nào?

Phân tử này chứa một phần trung tâm nhạy cảm với ánh sáng và tạo ra chuyển động electron để đáp lại. Các nhà nghiên cứu đã áp dụng phương pháp tuần tự bằng cách chiếu hai tia sáng.

Tia sáng đầu tiên chiếu vào phân tử và kích hoạt phản ứng tạo ra điện tích dương và âm, di chuyển về phía đầu đối diện của phân tử.

Với tia sáng thứ hai, phản ứng tương tự lại xảy ra, do đó phân tử chứa hai điện tích dương và hai điện tích âm.

Nguồn: Thiên nhiên

Độ nhạy sáng được cải thiện

Bước tuần tự, sử dụng ánh sáng theo quy trình 2 bước, không chỉ quan trọng để tích lũy điện tích gấp đôi ở mỗi đầu phân tử mà còn giảm năng lượng cần thiết cho mỗi bước, cho phép phân tử hoạt động ở cường độ ánh sáng thấp hơn trước.

Nguồn: Thiên nhiên

“Kết quả là chúng ta đang tiến gần đến cường độ ánh sáng mặt trời.

Các nghiên cứu trước đây yêu cầu ánh sáng laser cực mạnh, điều này hoàn toàn khác xa với viễn cảnh về quang hợp nhân tạo.”

Mathis Brändlin – Nghiên cứu sinh Tiến sĩ tại Đại học Basel

Tại sao phân tử này là một bước tiến quan trọng

Một đặc tính khác của phân tử mới này là nó giữ được điện tích trong một thời gian đủ dài để có thể sử dụng làm nguồn năng lượng cho các phản ứng hóa học tiếp theo, một yếu tố cần thiết cho bất kỳ hệ thống quang hợp nhân tạo hoàn chỉnh nào.

“Chúng tôi đã xác định và triển khai một phần quan trọng của câu đố.

Chúng tôi hy vọng điều này sẽ giúp chúng tôi đóng góp vào triển vọng mới cho một tương lai năng lượng bền vững.”

Pr. Oliver Wenger – Đại học Basel

Với khả năng giữ điện tích trong 120 micro giây (tốt hơn trước đây từ một nghìn đến một triệu lần), điều này sẽ đủ cho các phản ứng hóa học, ngay cả khi thời gian lý tưởng được đo bằng giây.

Vì vậy, so với các phân tử nhạy sáng có điện tích đơn hoặc chỉ có một loại điện tích đã được thử nghiệm trong các thí nghiệm trước đây, đây là phân tử có triển vọng nhất để phát triển quang hợp nhân tạo cho đến nay.

Những cải tiến hơn nữa về thiết kế có thể cải thiện khả năng hoạt động trong cường độ ánh sáng tự nhiên hoặc giữ điện tích lâu hơn nữa.

Phần quan trọng khác của quá trình quang hợp nhân tạo vẫn chưa được thiết kế là sắc tố có trạng thái kích thích năng lượng cao, cũng như chất xúc tác phù hợp để cung cấp đủ năng lượng oxy hóa khử cho quá trình phân tách nước hoặc khử CO2.

Vuốt để cuộn →

Đầu tư vào đổi mới bền vững

DuPont

DuPont là một công ty hóa chất lớn với nhiều loại hóa chất mang nhãn hiệu quan trọng, chẳng hạn như Kevlar, Styrofoam, Nomex (chống cháy), Great Stuff (keo dán xây dựng), v.v. Các thương hiệu vật liệu bảo vệ và nghiên cứu polyme tiên tiến của công ty có thể giúp công ty hưởng lợi từ các công nghệ siêu vật liệu mạng kép.

DuPont là một tập đoàn lâu đời với lịch sử mua lại phức tạp và gần đây hơn là một loạt các công ty con.

Nguồn: DuPont

Các công ty con này đã tách khỏi DuPont các bộ phận dinh dưỡng và khoa học sinh học, một phần được bán cho Corteva Biosciences (CTVA -0.95%), các sản phẩm titan để thành lập Công ty Chemours (CC -1.05%) và khả năng di chuyển.

Công ty cũng sẽ tách khỏi mảng kinh doanh hóa chất điện tử vào tháng 2025 năm XNUMXnhưng vẫn giữ lại phần nước (màng và bộ lọc để lọc nước và khử muối), trái ngược với các kế hoạch trước đó.

Nguồn: DuPont

Điều này sẽ giúp DuPont trở thành một công ty tập trung hơn nhiều, với hoạt động cốt lõi là các loại polyme tiên tiến dùng cho thiết bị lọc nước và bảo vệ, cũng như các vật liệu tiên tiến dùng cho hàng không vũ trụ, chăm sóc sức khỏe và xe điện.

Nguồn: DuPont

DuPont là một tập đoàn quốc tế thực thụ, có nhu cầu cao về hóa chất đặc biệt trong lĩnh vực lọc nước và sản xuất công nghiệp.

Các lĩnh vực mà hóa chất DuPont phục vụ cũng rất đa dạng, bao gồm xây dựng, lọc nước, công nghiệp điện tử, ô tô, hàng không vũ trụ, chăm sóc sức khỏe, năng lượng xanh và sản xuất công nghiệp.

Nguồn: DuPont

Về quang hợp nhân tạo, công ty hóa chất đang nghiên cứu công nghệ thông qua quan hệ đối tác với giới học thuật, đặc biệt là với Đại học Penn.

“Mục tiêu của nghiên cứu hợp tác này là phát triển một giao thức tính toán có thể áp dụng rộng rãi… để đẩy nhanh quá trình lựa chọn vật liệu quang hoạt có khả năng phân tách nước thành hydro và oxy một cách hiệu quả.”

Sự hiện diện mạnh mẽ của DuPont trong lĩnh vực thiết bị bảo hộ và vị thế vững chắc với thương hiệu Kevlar, một loại polymer hiệu suất cao, sẽ giúp công ty này đưa các dạng siêu vật liệu mới vào sản phẩm thương mại. Và sự hiện diện của công ty trong lĩnh vực năng lượng xanh sẽ giúp thương mại hóa các hóa chất phục vụ cho quá trình quang hợp nhân tạo sau này.

Trong mọi trường hợp, khi công nghệ mới ngày càng phát triển, cũng như mức tiêu thụ nước ngày càng tăng, nhu cầu về các hóa chất tiên tiến do DuPont sản xuất cũng tăng theo.

Tin tức và diễn biến mới nhất về cổ phiếu Dupont (DD)

Nghiên cứu tham khảo

^{1. Brändlin, M., Pfund, B. & Wenger, OS Tích lũy điện tích kép do quang học trong một hợp chất phân tử. Nature. hóađất nước. (2025). https://doi.org/10.1038/s41557-025-01912-x}