Új irányba tapogatózik a mesterséges fotoszintézis

Az MIT kutatói új módot találtak a fotoszintézis utánzására. Egy módosított vírussal egyfajta biológiai állványzatot hoztak létre, ami képes összerakni egy vízmolekula hidrogén és oxigén atomokra bontásához szükséges nanoméretű komponenseit.

Az új technika, amiről bővebben a Nature Nanotechnology szaklapban olvashatunk, fontos eleme lehet annak a hidrogéngazdálkodásnak, ami a szakértők többsége szerint meghatározó lesz a jövőben. Napfénnyel vízből hidrogént előállítani azt jelenti, hogy a hidrogén egy üzemanyag cella alkalmazásával könnyedén tárolhatóvá és bármikor elektromossággá, vagy akár folyékony üzemanyaggá alakíthatóvá válik. Míg más kutatók rendszerei elektromossággal választják szét a vízmolekulákat, az új biológiai alapú rendszer átugorva a köztes lépéseket közvetlenül a napfénnyel táplálja a reakciót.

Az Angela Belcher vezette csapat egy általános bakteriális vírust, az M13-mat alakította át, hogy az képes legyen magához vonzani és megkötni egy katalizátor, esetünkben irídium-oxid molekulákat, valamint kapott egy biológiai pigmentet, a cink-porfirint. A vírusok a módosítással gyakorlatilag vezetékszerű eszközökké váltak, amik rendkívül hatékonyan választják ki az oxigént a víz molekulákból. Idővel azonban a vírus-vezetékek összecsoportosulnának és elvesztenék hatékonyságukat, ezért a kutatók beiktattak egy plusz lépcsőfokot, egy mikrozselé-mátrixba ágyazva a vírusokat, amik így megtarthatták egységes elrendezésüket, ezáltal stabilitásukat és hatékonyságukat is.

Más kutatók a növények fotoszintetikus részeivel próbálják közvetlenül hasznosítani a napfényt, Belcher azonban úgy vélte, hogy a növényi alkotóelemek helyett inkább csak a módszerüket használja fel a cél eléréséhez. A növényi sejtekben természetes pigmentek nyelik el a napfényt, majd katalizátorok segítik a vízszétválasztó reakciót. Ezt a folyamatot másolta le a massachusettsi csapat.

Rendszerükben a vírus egyszerűen egy állványzatként funkcionál, a megfelelő tagolást biztosítva a pigmenteknek és a katalizátoroknak a vízszétválasztási reakció beindításához. "A pigmentek egy antennaként viselkednek, elfogják a fényt, majd továbbítják az energiát a vírus mentén, mint egy vezetéken" - magyarázta Belcher. "A vírus a hozzáadott porfirinekkel rendkívül hatékony fénygyűjtővé válik. Ugyanazokat a komponenseket használjuk, amikkel már korábban is próbálkoztak, mi azonban a biológia segítségével rendezzük össze ezeket, így jobb hatásfokot érünk el."

"Nagyon okos munka, ami a mesterséges fotoszintézis egyik legbonyolultabb problémáját, az összetevők nanoméretű rendeződését célozza meg az elektron átviteli arány kontrollálása érdekében" - kommentálta az eredményeket Thomas Mallouk a Pennsylvaia Állami Egyetem Anyagkémiai és -fizikai karának professzora. Mallouk azonban figyelmeztet, hogy még mindig számos problémát kell megoldani mielőtt ez, vagy bármely más mesterséges fotoszintetikus rendszer ténylegesen használható lesz az energia átalakításra.

"Hogy versenyképes legyen a napenergia más alkalmazásaival a rendszernek legalább tízszer hatékonyabbnak kell lennie a természetes fotoszintézisnél, képesnek kell lennie a reakció több milliárdszori megismétlésére, és olcsóbb anyagokat is találnunk kell. Ez nem valószínű, hogy a közeli jövőben megvalósul, mindazonáltal a most bemutatott elv fontos darabja lehet ennek a kirakós játéknak" - összegzett.