6 Minute
Descoperire: stocarea simultană a mai multor sarcini cu lumină
Asemenea fotosintezei naturale, noua moleculă stochează temporar două sarcini pozitive și două negative. Credit: Deyanira Geisnæs Schaad
O echipă de cercetare de la Universitatea din Basel din Elveția a proiectat o moleculă sintetică care, atunci când este iluminată, poate acumula simultan două sarcini pozitive și două sarcini negative. Publicată în Nature Chemistry, lucrarea condusă de profesorul Oliver Wenger și doctorandul Mathis Brändlin reprezintă un pas intermediar dar esențial pentru conversia luminii solare în combustibili neutri din punct de vedere al carbonului, cum ar fi hidrogenul, metanolul sau hidrocarburile sintetice.
Fotosinteza din plante captează lumina solară și direcționează acea energie în legături chimice, transformând dioxidul de carbon și apa în zaharuri cu densitate energetică mare. Fotosinteza artificială urmărește să reproducă această conversie energetică pentru a produce „combustibili solari” — combustibili a căror ardere eliberează doar CO2-ul consumat inițial în sinteză, făcându-i neutri din punct de vedere al emisiilor. Una dintre provocările tehnice centrale este stocarea temporară a mai multor sarcini produse de reacții declanșate de fotoni, astfel încât acestea să poată alimenta etape chimice cu mai mulți electroni, cum ar fi despărțirea apei.
Cum captează și stochează molecula sarcinile
Arhitectură modulară în cinci părți
Molecula dezvoltată la Basel este o asamblare liniară din cinci unități funcționale, fiecare optimizată pentru un rol specific. Un component central absorbant de lumină inițiază transferul de electroni când absoarbe un foton. Două segmente donatoare de electroni de la un capăt se oxidează (devin încărcate pozitiv) când eliberează electroni, în timp ce două segmente acceptoare de electroni de la capătul opus se reduc (devin încărcate negativ) când preiau electroni. Separarea spațială a siturilor oxidate și reduse previne recombinarea imediată și permite stocarea temporară a celor patru sarcini.
Această stocare intermediară a sarcinilor este esențială pentru a conduce reacții chimice care necesită mai mulți electroni, de exemplu împărțirea apei în hidrogen și oxigen sau reducerea CO2 în molecule bogate în energie.
Activare în trepte cu lumină și funcționare la intensități reduse
Pentru a acumula patru sarcini fără a distruge molecula sau a provoca reacții necontrolate, cercetătorii au folosit o abordare în doi fotoni, în etape. Un prim impuls luminos declanșează un ciclu de transfer de electroni, producând o sarcină pozitivă și una negativă care migrează către capetele opuse ale moleculei. Un al doilea flash, decalatat în timp, repetă procesul, rezultând un total de două sarcini pozitive și două sarcini negative reținute în aceeași matrice moleculară.
„Această excitație în etape face posibilă utilizarea unei lumini semnificativ mai slabe. Ca urmare, ne apropiem deja de intensitatea luminii solare,” a declarat Mathis Brändlin, observând că strategiile anterioare necesitau adesea impulsuri laser de mare intensitate, mult departate de condițiile solare realiste. Este important că sarcinile stocate rămân suficient de stabile pentru a fi folosite în transformări chimice ulterioare.
Implicații pentru combustibilii solari și cercetările viitoare
Studiul din Basel abordează un gol mecanistic în fotosinteza artificială: cum să acumulezi în mod fiabil mai multe sarcini pe un singur schelet molecular sub iluminare realistă. Sarcinile stabilizate și separate spațial pot fi transferate către centre catalitice pentru a alimenta reacții multi-electronice necesare producerii de combustibili. Deși molecula în sine nu constituie încă un sistem complet de fotosinteză artificială, aceasta oferă un principiu modular de proiectare pentru cuplarea captării luminii, stocării de sarcină și catalizei.
Rămân limitări. Experimentele actuale demonstrează acumularea controlată de sarcini într-o soluție în condiții de laborator; integrarea unor astfel de motive de stocare a sarcinilor cu catalizatori rezistenți pentru oxidarea apei sau reducerea CO2 și scalarea către eficiențe practice sunt pașii următori. Fotostabilitatea pe termen lung, costul materialelor și integrarea sistemului vor determina dacă această abordare poate susține producția industrială de combustibili solari.
Perspective ale experților
Dr. Elena Morales, inginer chimist specializat în combustibili solari (ficțional), comentează: „Această lucrare este o demonstrație elegantă a gestionării fotonilor la scară moleculară. Capacitatea de a încărca secvențial sarcini cu lumină de intensitate scăzută este crucială pentru trecerea de la demonstrații cu laser la sisteme compatibile cu lumina solară. Următoarea provocare majoră va fi îmbinarea acestor rezervoare de sarcină cu catalizatori durabili care pot realiza chimia solicitantă a despărțirii apei sau conversiei CO2 fără degradare rapidă.”
Tehnologii conexe și perspective
Cercetătorii din întreaga lume explorează abordări complementare: electrozi foto-semiconductori, catalizatori moleculari și sisteme hibride inspirate de natură. Molecula din Basel adaugă un motiv de proiectare promițător pentru chimia fotonică moleculară și ar putea fi combinată cu catalizatori eterogeni sau integrată în celule fotoelectrochimice. Progresul pe aceste piste paralele crește șansele de a livra tehnologii practice pentru combustibili solari care să contribuie la o economie energetică cu emisii reduse de carbon.
Concluzie
Echipa Universității din Basel a demonstrat o moleculă activată de lumină care poate stoca temporar două sarcini pozitive și două negative folosind o metodă în doi fotoni, în etape. Această realizare reduce un punct esențial dintre chimia fotoelectrică de laborator și fotosinteza artificială funcțională, arătând acumularea de sarcină la intensități luminoase relativ scăzute și cu stabilitate suficientă pentru chimia ulterioară. Deși sunt necesare lucrări suplimentare pentru a conecta reacțiile catalitice și a scala abordarea, studiul oferă o strategie moleculară clară pentru a transforma lumina solară în combustibili neutri din punct de vedere al carbonului.
Sursa: sciencedaily
Comentarii