Uudella molekyylillä kohti keinotekoista fotosynteesiä

Baselin yliopiston tutkimusryhmä on kehittänyt uuden molekyylin, joka on mallinnettu kasvien fotosynteesin mukaan: valon vaikutuksesta se varastoi kaksi positiivista ja kaksi negatiivista varausta samanaikaisesti. Tavoitteena on muuntaa auringonvalo hiilineutraaliksi polttoaineeksi.

Fotosynteesin malli voisi olla myös avain ympäristöystävällisiin polttoaineisiin, sillä tutkijat työskentelevät luonnollisen fotosynteesin jäljittelemiseksi ja auringonvalon hyödyntämiseksi korkeaenergisten yhdisteiden, kuten aurinkopolttoaineiden, kuten vedyn, metanolin ja synteettisen bensiinin, tuottamiseksi. Kun niitä sitten poltetaan, ne tuottaisivat vain sen verran hiilidioksidia kuin niiden tuottamiseenkin tarvittiin. Toisin sanoen ne olisivat hiilineutraaleja.

Professori Oliver Wenger ja hänen tohtoriopiskelijansa Mathis Brändlin ovat nyt raportoineet tärkeästä välivaiheesta keinotekoisen fotosynteesin vision saavuttamiseksi: he ovat kehittäneet erityisen molekyylin, joka voi varastoida samanaikaisesti neljä varausta valosäteilyn alaisena – kaksi positiivista ja kaksi negatiivista.

Useiden varausten väliaikainen varastointi onkin tärkeä edellytys auringonvalon muuntamiselle kemialliseksi energiaksi: varauksia voidaan käyttää reaktioiden käynnistämiseen – esimerkiksi veden hajottamiseen vedyksi ja hapeksi.

Kehitetty molekyyli koostuu viidestä sarjaan kytkeytyneestä osasta, joista jokainen suorittaa tietyn tehtävän. Molekyylin toisella puolella on kaksi osaa, jotka vapauttavat elektroneja ja varautuvat prosessissa positiivisesti. Toisella puolella olevat kaksi osaa poimivat elektronit, mikä aiheuttaa niiden negatiivisen varautumisen. Keskelle kemistit sijoittivat komponentin, joka vangitsee auringonvaloa ja käynnistää reaktion (elektronien siirron).

Työssään tutkijat käyttivät vaiheittaista lähestymistapaa neljän varauksen luomiseksi käyttämällä kahta valonvälähdystä. Ensimmäinen valonvälähdys osuu molekyyliin ja laukaisee reaktion, jossa syntyy positiivinen ja negatiivinen varaus. Nämä varaukset kulkeutuvat ulospäin molekyylin vastakkaisiin päihin. Toisen valonvälähdyksen myötä sama reaktio tapahtuu uudelleen, jolloin molekyyli sisältää sitten kaksi positiivista ja kaksi negatiivista varausta.

”Tämä porrastettu heräte mahdollistaa huomattavasti himmeämmän valon käytön kuin aiemmissa töissä. Tämän seurauksena olemme jo lähellä auringonvalon intensiteettiä”, Brändlin selittää. ”Lisäksi molekyylin varaukset pysyvät vakaina riittävän kauan, jotta niitä voidaan käyttää jatkokemiallisiin reaktioihin.”

Tästä huolimatta uusi molekyyli ei ole vielä luonut toimivaa keinotekoista fotosynteesijärjestelmää. ”Mutta olemme tunnistaneet ja toteuttaneet tärkeän osan palapeliä”, Oliver Wenger sanoo. Tutkimuksen uudet löydökset auttavat parantamaan ymmärrystämme elektronien siirroista, jotka ovat keskeisiä keinotekoiselle fotosynteesille. ”Toivomme, että tämä auttaa meitä edistämään uusia kestävän energian tulevaisuuden näkymiä”, Wenger sanoo.

Aiheesta aiemmin:

Kupariset kukat kukkivat keinolehdillä

Kvanttimekaniikalla rooli fotosynteesissä ja lintujen suunnistuksessa

Fotosynteesi puhtaan energian tuotantoon