Исследовательская группа из Базельского университета в Швейцарии разработала молекулу, созданную по образцу фотосинтеза растений: под воздействием света она накапливает два положительных и два отрицательных заряда одновременно. Цель состоит в том, чтобы преобразовывать солнечный свет в углеродно-нейтральное топливо.
Растения используют энергию солнечного света для преобразования CO2 в богатые энергией молекулы сахара. Этот процесс называется фотосинтезом и лежит в основе практически всей жизни: животные и люди могут снова «сжигать» полученные таким образом углеводы и использовать накопленную в них энергию. При этом снова выделяется углекислый газ, замыкая цикл.
Эта модель может стать ключом к созданию экологически чистого топлива, поскольку исследователи работают над имитацией естественного фотосинтеза и использованием солнечного света для получения высокоэнергетических соединений: солнечного топлива, такого как водород, метанол и синтетический бензин. При сжигании они будут выделять ровно столько углекислого газа, сколько необходимо для производства топлива. Другими словами, они будут углеродно-нейтральными.
В научном журнале Nature Chemistry профессор Оливер Венгер сообщил о важном промежуточном этапе на пути к созданию искусственного фотосинтеза: он разработали особую молекулу, которая может одновременно накапливать 4 заряда под воздействием света — 2 положительных и 2 отрицательных.
Промежуточное хранение нескольких зарядов является важным условием для преобразования солнечного света в химическую энергию: заряды можно использовать для запуска реакций, например для расщепления воды на водород и кислород.
Молекула состоит из 5 частей, соединённых последовательно, и каждая из них выполняет определённую функцию. На одной стороне молекулы находятся две части, которые высвобождают электроны и в процессе становятся положительно заряженными. Две другие части на другой стороне принимают электроны, из-за чего становятся отрицательно заряженными. В середине молекулы химики разместили компонент, который улавливает солнечный свет и запускает реакцию (перенос электронов).
Чтобы создать 4 заряда, исследователи применили поэтапный подход, используя две вспышки света. Первая вспышка попадает на молекулу и запускает реакцию, в результате которой образуются положительный и отрицательный заряды. Эти заряды перемещаются к противоположным концам молекулы. При второй вспышке света происходит та же реакция, и молекула приобретает 2 положительных и 2 отрицательных заряда.
«Такое поэтапное возбуждение позволяет использовать значительно менее яркий свет. В результате мы уже приближаемся к интенсивности солнечного света», — объясняет ученый. «Для предыдущих исследований требовался чрезвычайно мощный лазерный луч, что было далеко от концепции искусственного фотосинтеза. Кроме того, заряды в молекуле остаются стабильными достаточно долго, чтобы их можно было использовать для дальнейших химических реакций».
Тем не менее новая молекула пока не создала функционирующую систему искусственного фотосинтеза. «Но мы определили и внедрили важную часть головоломки», — говорит Оливер Венгер. «Результаты исследования помогают лучше понять процесс переноса электронов, который является ключевым для искусственного фотосинтеза. Мы надеемся, что это откроет перспективы для устойчивой энергетики в будущем», — говорит Венгер.
[Фото: Deyanira Geisnæs Schaad / University of Basel]