دانشگاه شیکاگو با استفاده از یک فتوسنتز مصنوعی سوخت متان را از خورشید، دی اکسید کربن و آب یا یک بازدهی چشمگیر ایجاد کرد.
به گزارش تکناک، انسان ها در دو قرن گذشته برای انرژی متمرکز به سوخت های فسیلی متکی بوده اند.
جامعه ما از مزیت مواد مناسب و پرانرژی از فرایندی که حاصل از صدها میلیون سال فتوسنتز می باشد استفاده کرده است. با این حال، این عرضه محدود است و مصرف سوخت فسیلی تأثیر منفی زیادی بر آب و هوای زمین دارد.
ونبین لین شیمیدان دانشگاه شیکاگو، می گوید: بزرگترین چالشی که بسیاری از مردم متوجه نمی شوند این است که حتی طبیعت نیز هیچ راه حلی برای میزان انرژی مصرفی ما ندارد. حتی فتوسنتز هم آنقدر خوب نیست، او گفت: ما باید بهتر از طبیعت کار کنیم و این ترسناک است.
فتوسنتز مصنوعی یکی از گزینه های احتمالی است که دانشمندان در حال بررسی هستند. این مستلزم کار مجدد یک سیستم کارخانه برای تولید انواع سوخت های مورد نیاز است. با این حال، تجهیزات شیمیایی موجود در یک برگ بسیار پیچیده است و به راحتی نمی توان برای اهداف ما مورد استفاده قرار گیرد.
اکنون، یک سیستم ابتکاری جدید برای فتوسنتز مصنوعی که نسبت به سیستم‌های مصنوعی قبلی کارآمدتر است، در مطالعه‌ای به تاریخ 10 نوامبر 2022 در مجله Nature Catalysis توسط شش شیمیدان از دانشگاه شیکاگو ارائه شده است. برخلاف فتوسنتز معمولی که کربوهیدرات ها را از دی اکسید کربن و آب تولید می کند، فتوسنتز مصنوعی می تواند اتانول، متان یا سوخت های دیگر را تولید کند.
این روش به دانشمندان مسیر جدیدی برای کاوش می دهد. به علاوه، در کوتاه مدت، ممکن است برای تولید سایر مواد شیمیایی مفید باشد اگرچه هنوز راه درازی در پیش دارد تا بتواند به وسیله ای برای سوخت رسانی روزانه به خودروی شما تبدیل شود.
لین، استاد شیمی در دانشگاه شیکاگو و نویسنده ارشد این مطالعه گفت: این یک پیشرفت بزرگ و مهم برای سیستم‌های موجود است. ما توانستیم درک بسیار روشنی از نحوه عملکرد این سیستم مصنوعی در سطح مولکولی ارائه دهیم، چیزی که قبلاً انجام نشده بود.
ما به چیز دیگری نیاز خواهیم داشت
لین ادامه داد: بدون فتوسنتز طبیعی، ما اینجا نبودیم. فتوسنتز اکسیژنی که ما روی زمین تنفس می کنیم و غذایی که می خوریم را می سازد. اما هرگز به اندازه کافی کارآمد نخواهد بود تا سوخت را برای رانندگی ماشین ما تامین کند. بنابراین ما به چیز دیگری نیاز خواهیم داشت.
مشکل اینجاست که فتوسنتز برای ایجاد کربوهیدرات‌هایی ساخته شده است که برای سوخت‌رسانی به ما عالی هستند، اما نه خودروهای ما، که به انرژی بسیار متمرکزتری نیاز دارند. بنابراین محققانی که به دنبال ایجاد جایگزینی برای سوخت‌های فسیلی هستند، باید این فرآیند را دوباره مهندسی کنند تا سوخت‌های با انرژی بیشتری مانند اتانول یا متان ایجاد کنند.
در طبیعت، فتوسنتز توسط چندین مجموعه بسیار پیچیده از پروتئین ها و رنگدانه ها انجام می شود. آنها آب و دی اکسید کربن را جذب می کنند، مولکول ها را از هم جدا می کنند و اتم ها را دوباره مرتب می کنند تا کربوهیدرات ها را بسازند، رشته ای طولانی از ترکیبات هیدروژن اکسیژن و کربن. با این حال، دانشمندان باید روی واکنش‌ها دوباره کار کنند تا به آرایش متفاوتی برسند که فقط هیدروژن هایی که یک هسته‌ی آبدار کربن را احاطه می‌کند که به نام متان نیز شناخته می‌شود، تولید کنند.
این مهندسی مجدد بسیار پیچیده تر از آن چیزی است که به نظر می رسد. مردم ده‌ها سال است که با آن دست و پنجه نرم می‌کنند و سعی می‌کنند به کارایی طبیعت نزدیک‌تر شوند.
لین و هم تیمی های آزمایشگاهی‌اش فکر کردند که ممکن است چیزی اضافه کنند که سیستم‌های فتوسنتز مصنوعی تا به امروز شامل آن نشده‌اند یعنی اسیدهای آمینه.
این تیم کار را با نوعی ماده به نام چارچوب فلزی-آلی یا MOF آغاز کرد، دسته ای از ترکیبات متشکل از یون های فلزی که توسط مولکول های پیوند دهنده آلی به هم متصل می شوند. سپس آنها MOF ها را به صورت یک لایه طراحی کردند تا حداکثر سطح را برای واکنش های شیمیایی فراهم کنند و همه چیز را در محلولی غوطه ور کردند که شامل یک ترکیب کبالت برای انتقال الکترون ها به اطراف بود. در نهایت، آنها اسیدهای آمینه را به MOF ها اضافه کردند و آزمایش کردند تا بفهمند کدامیک بهتر عمل می کند.
آنها توانستند هر دو نیمه واکنش را بهبود بخشند: فرآیندی که آب را از هم جدا می کند و فرآیندی که الکترون ها و پروتون ها را به دی اکسید کربن اضافه می کند. در هر دو مورد، اسیدهای آمینه به انجام واکنش موثرتر کمک کردند.
این پیشرفت می تواند به طور گسترده ای برای سایر واکنش های شیمیایی نیز اعمال شود. برای تأثیرگذاری آن برای مصارف سوختی باید مقادیر زیادی بسازید، اما مقادیر بسیار کمتری از برخی مولکول‌ها، مانند مواد اولیه برای ساخت مواد دارویی و نایلون‌ها، می‌تواند بسیار مفید باشد.
لین گفت: بسیاری از این فرآیندهای اساسی یکسان هستند. اگر شیمی خوبی ایجاد کنید، می توان آنها را به بسیاری از سیستم ها متصل کرد.
