جزيء جديد يجعل التركيب الضوئي الاصطناعي قريبًا من الواقع

استبدال التركيب الضوئي الطبيعي

بشكل مباشر أو غير مباشر، تم إنتاج كمية هائلة من الطاقة التي نستخدمها عبر التركيب الضوئي.

هذا بالطبع صحيح بالنسبة للسعرات الحرارية التي تغذي أجسامنا، ولكنه في النهاية ينطبق أيضًا على الوقود الأحفوري، الذي هو مجرد تركيب ضوئي “مخزن” من النباتات التي ماتت منذ عصور طويلة.

لذلك، تم تكريس العديد من الجهود لجعل نظام الطاقة والغذاء لدينا أكثر خضرة إما بتحسين التركيب الضوئي الطبيعي أو استغلاله لاستخدامات جديدة، مثل إنشاء الوقود الحيوي من الطحالب.

إن بناءه على نطاق واسع قد يكون حاسمًا في الحد من ارتفاع تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي.

لكن ماذا لو استطعنا تقليد عملية التركيب الضوئي دون الحاجة إلى التعامل مع الكائنات الحية؟ فهي في النهاية عملية كيميائية كهربائية لا تتطلب بالضرورة وجود خلايا حية لتحدث. هذا هو وعد ما يُسمى بـ “التركيب الضوئي الاصطناعي”.

سوف يرفع ذلك قدرتنا على التقاط طاقة الشمس خطوةً فوق الخلايا الضوئية، التي يمكنها “فقط” توليد الكهرباء من ضوء الشمس، ولكن لا تؤثر مباشرةً على التفاعلات الكيميائية.

Some progress has been made, لا سيما نحو إنتاج الهيدروجين الشبيه بالتركيب الضوئي, but more work is needed for a closer replica.

كيف يعمل التركيب الضوئي في الطبيعة

في النباتات، يُعد التركيب الضوئي، تقريبًا، في أبسط صوره. العملية التي تتضمن امتصاص ثاني أكسيد الكربون والماء، واستخدام الضوء كمصدر للطاقة، وإنتاج الكربوهيدرات والأكسجين.

المصدر: Britannica

للوظة الأولى، يبدو أن هذا يمكن اختزاله إلى معادلة كيميائية بسيطة جدًا ويمكن تكراره بسهولة بصورة اصطناعية.

المصدر: Britannica

القصة تختلف عندما ننظر إلى كيفية تنفيذها فعليًا.

التركيب الضوئي للنباتات هو في الواقع أحد أكثر الآلات البيوكيميائية تعقيدًا، حيث يحتوي على عشرات التفاعلات الوسيطة، والعديد من المكونات الفرعية، وأحيانًا آليات جزيئية غير مفهومة جيدًا تشمل حركات إلكترونية معقدة.

الشرح الاصطناعي لهذا الموضوع في موسوعة بريتانيكا is no less than 10,000 words.

يحتاج العلماء الذين يدرسونها إلى التعامل مع مخططات أكثر تعقيدًا للحصول على مجرد نظرة عامة على التركيب الضوئي:

المصدر: Lumen Learning

على الرغم من استخدامها في الطبيعة أساسًا لإنشاء الكربوهيدرات، يمكن نظريًا استخدام التركيب الضوئي للعديد من التطبيقات الأخرى باستخدام الضوء كمصدر للطاقة، مثل، على سبيل المثال، تخليق الهيدروجين من الماء (التحفيز الضوئي).

عملية مشابهة لحركة الإلكترونات والأيونات المستحثة بالضوء يمكن أيضًا استخدامها لإنشاء سكريات بصورة اصطناعية. هذه هي الفكرة التي يعمل عليها ثلاثة علماء في جامعة بازل (سويسرا). نشروا مؤخرًا في Nature Chemistry¹ نتائجهم حول جزيء جديد يمكن استخدامه للتركيب الضوئي الاصطناعي، تحت عنوان “تراكم الشحنة المزدوجة المستحث بالضوء في مركب جزيئي”.

بناء الكلوروفيل الاصطناعي

جزيئات متعددة الشحنات

يعتمد التركيب الضوئي الطبيعي على سلسلة من التفاعلات الكهروكيميائية. وبالتالي، يتطلب ما يُسمى بالحالة المفصولة الشحنة (CSS)، حيث يحمل الجزيء في آنٍ واحد شحنة موجبة وسالبة.

من المهم أن تفاعلات تكوين الوقود تتطلب عدة إلكترونات، وليس إلكترونًا واحدًا فقط، وهو ما كانت أنظمة التركيب الضوئي الاصطناعي قادرة على تحقيقه حتى الآن.

بالنسبة لتقليل ثاني أكسيد الكربون على وجه الخصوص، يبدو أن نقل الإلكترونات المتعددة أمر أساسي، وهذا هو السبب في أن معظم حلول التركيب الضوئي الاصطناعي حتى الآن ركزت على توليد الهيدروجين بدلاً من ذلك.

هنا يأتي اكتشاف الباحثين السويسريين لتغيير الأمور، حيث تم إنشاء جزيء خاص يمكنه توليد وتخزين أربع شحنات في آنٍ واحد تحت إشعاع الضوء – شحنتين موجبتين وشحنتين سالبتين.

المصدر: Nature

كيف يعمل؟

يحتوي الجزيء على جزء مركزي حساس للضوء ويولد حركة إلكترونية استجابةً لذلك. اتبع الباحثون نهجًا متسلسلًا باستخدام وميضين من الضوء.

يضرب الوميض الأول من الضوء الجزيء ويُطلق تفاعلًا تُولد فيه شحنة موجبة وشحنة سلبية، وتتحركان نحو الطرف المقابل من الجزيء.

مع الوميض الثاني من الضوء، يتكرر نفس التفاعل مرة أخرى، بحيث يحتوي الجزيء الآن على شحنتين موجبتين وشحنتين سالبتين.

المصدر: Nature

تحسين حساسية الضوء

الخطوة المتسلسلة، التي تستخدم الضوء في عملية من خطوتين، ليست مهمة فقط لتجميع شحنة كهربائية مزدوجة على كل طرف من الجزيء، بل أيضًا لتقليل الطاقة المطلوبة لكل خطوة، مما يسمح له بالعمل في شدة ضوء أقل مما كان عليه سابقًا.

المصدر: Nature

“نتيجةً لذلك، نحن الآن نقترب من شدة ضوء الشمس.

البحوث السابقة كانت تتطلب ضوء ليزر قوي جدًا، وهو بعيد كل البعد عن رؤية التركيب الضوئي الاصطناعي.

Mathis Brändlin – طالب دكتوراه في جامعة بازل

لماذا يُعد هذا الجزيء خطوة رئيسية إلى الأمام

خاصية أخرى لهذا الجزيء الجديد هي أنه يحتفظ بشحنته لفترة زمنية كافية لاستخدامها في تشغيل تفاعلات كيميائية أخرى، وهو أمر ضروري لأي نظام تركيب ضوئي اصطناعي كامل.

“لقد حددنا ونفذنا قطعة مهمة من اللغز.

نأمل أن يساعدنا ذلك في المساهمة في آفاق جديدة لمستقبل طاقة مستدام.

Pr. Oliver Wenger – جامعة بازل

مع احتفاظ الشحنة لمدة 120 ميكروثانية (ألف إلى مليون مرة أفضل مما كان سابقًا)، يجب أن يكون ذلك كافيًا للتفاعلات الكيميائية، حتى وإن كان المدة المثالية تُقاس بالثواني.

لذا مقارنةً بالجزيئات الحساسة للضوء ذات الشحنة الواحدة، أو نوع شحنة واحد فقط التي جُربت في التجارب السابقة، هذا هو الجزيء الأكثر وعدًا لتطوير التركيب الضوئي الاصطناعي حتى الآن.

يمكن أن تُحسّن التعديلات الإضافية على التصميم قدرته على العمل في شدة الضوء الطبيعية أو على احتفاظ الشحنات الكهربائية لفترة أطول.

الجزء الرئيسي الآخر في عملية التركيب الضوئي الاصطناعي الذي لم يُصمم بعد هو صبغة ذات حالات طاقة عالية مُثارة، بالإضافة إلى محفزات مناسبة لتوفير قدرة أكسدة‑اختزال كافية لتقسيم الماء أو تقليل ثاني أكسيد الكربون.

اسحب للتمرير →

الاستثمار في الابتكار المستدام

DuPont

DuPont هي شركة كيميائية ضخمة مع العديد من المواد الكيميائية ذات العلامات التجارية المهمة، مثل Kevlar، Styrofoam، Nomex (حماية من الحرائق)، Great Stuff (لاصق بناء)، إلخ. إن أبحاثها المتقدمة في البوليمرات وعلامات المواد الوقائية قد تضعها للاستفادة من تقنيات المواد الميتامادية ذات الشبكة المزدوجة.

DuPont هي شركة قديمة ذات تاريخ معقد من الاستحواذات، ومؤخرًا سلسلة من الانفصالات.

المصدر: DuPont

هذه الانفصالات قد فصلت عن DuPont أقسام التغذية والعلوم الحيوية، وتم بيع جزء منها إلى Corteva Biosciences (CTVA -0.95%)، ومنتجات التيتانيوم لتشكيل شركة Chemours (CC -1.05%)، والقطاع المتنقل.

ستنفصل أيضًا عن أعمالها في المواد الكيميائية الإلكترونية في نوفمبر 2025, لكنها ستحافظ على قطاع المياه (الأغشية والمرشحات لتنقية المياه وتحلية المياه)، خلافًا للخطط السابقة.

المصدر: DuPont

سيجعل ذلك من DuPont شركة أكثر تركيزًا، مع نشاط أساسي في البوليمرات المتقدمة لتنقية المياه ومعدات الحماية، بالإضافة إلى المواد المتقدمة للفضاء الجوي، والرعاية الصحية، والمركبات الكهربائية.

المصدر: DuPont

DuPont هي شركة دولية حقيقية، مع طلب عالٍ على المواد الكيميائية المتخصصة في تنقية المياه والتصنيع الصناعي.

القطاعات التي تخدمها مواد DuPont الكيميائية متنوعة جدًا، بما في ذلك البناء، تنقية المياه، صناعة الإلكترونيات، السيارات، الفضاء الجوي، الرعاية الصحية، الطاقة الخضراء، والإنتاج الصناعي.

المصدر: DuPont

فيما يتعلق بالتركيب الضوئي الاصطناعي، تعمل الشركة الكيميائية على التقنية من خلال شراكات مع الأوساط الأكاديمية، لا سيما مع جامعة بن.

“هدف هذا البحث التعاوني هو تطوير بروتوكول حسابي واسع التطبيق … لتسريع اختيار المواد الضوئية النشطة التي يمكنها تقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين بكفاءة.”

إن الوجود القوي لـ DuPont في معدات الحماية والموقع الراسخ لعلامة Kevlar، وهو بوليمر عالي الأداء، يجب أن يساعدها على تكييف أشكال جديدة من المواد الميتامادية إلى منتجات تجارية. كما أن وجودها في مجال الطاقة الخضراء يجب أن يساعد على تجاريّة المواد الكيميائية للعملية التجارية النهائية للتركيب الضوئي الاصطناعي.

على أي حال، مع نمو التقنيات الجديدة، وكذلك استهلاك المياه، يزداد الطلب على المواد الكيميائية المتقدمة التي تنتجها DuPont.

أحدث أخبار وتطورات سهم Dupont (DD)

الدراسة المشار إليها

^{1. Brändlin, M., Pfund, B. & Wenger, O.S. تراكم الشحنة المزدوجة المستحث بالضوء في مركب جزيئي. Nature. Chemistry. (2025). https://doi.org/10.1038/s41557-025-01912-x}