Νέο Μόριο Κάνει την Τεχνητή Φωτοσύνθεση Πιο Πλησιέστερη στην Πραγματικότητα

Αντικατάσταση της Φυσικής Φωτοσύνθεσης

Άμεσα ή έμμεσα, ένα τεράστιο μέρος της ενέργειας που χρησιμοποιούμε έχει παραχθεί μέσω της φωτοσύνθεσης.

Άμεσα ή έμμεσα, ένα τεράστιο μέρος της ενέργειας που χρησιμοποιούμε έχει παραχθεί μέσω της φωτοσύνθεσης.

Αυτό, φυσικά, ισχύει για τις θερμίδες που τροφοδοτούν τα σώματά μας, αλλά τελικά και για τα ορυκτά καύσιμα, τα οποία είναι απλώς «αποθηκευμένη» φωτοσύνθεση από φυτά που πέθαναν πριν από αμέτρητες εποχές.

Έτσι, πολλές προσπάθειες για να κάνουμε το ενεργειακό και διατροφικό μας σύστημα πιο πράσινο έχουν αφιερωθεί είτε στη βελτίωση της φυσικής φωτοσύνθεσης είτε στην εκμετάλλευσή της για νέες χρήσεις, όπως η δημιουργία βιοκαυσίμων από άλγη.

Η μαζική κατασκευή της θα μπορούσε να αποδειχθεί κρίσιμη για τον περιορισμό της αυξανόμενης συγκέντρωσης CO₂ στην ατμόσφαιρα.

Αλλά τι θα γινόταν αν μπορούσαμε να μιμηθούμε τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης χωρίς να χρειάζεται να ασχοληθούμε με ζωντανά οργανισμούς; Είναι, τελικά, μια ηλεκτροχημική διαδικασία που δεν απαιτεί απαραίτητα ζωντανά κύτταρα. Αυτή είναι η υπόσχεση της λεγόμενης «τεχνητής φωτοσύνθεσης».

Θα ενίσχυε την ικανότητά μας να συλλαμβάνουμε την ενέργεια του ήλιου ένα βήμα πάνω από τη φωτοβολταϊκή, η οποία μπορεί «μόνο» να δημιουργεί ηλεκτρισμό από το ηλιακό φως, αλλά δεν επηρεάζει άμεσα χημικές αντιδράσεις.

Έχει σημειωθεί κάποια πρόοδο, ιδιαίτερα προς την παραγωγή υδρογόνου παρόμοια με τη φωτοσύνθεση, αλλά απαιτείται περισσότερη δουλειά για να δημιουργηθεί ένα πιστότερο αντίγραφο.

Πώς Λειτουργεί η Φωτοσύνθεση στη Φύση

Στα φυτά, η φωτοσύνθεση, με απλά λόγια και στην απλούστερη μορφή της, είναι η διαδικασία πρόσληψης CO2 και νερού, με χρήση του φωτός ως πηγής ενέργειας, για την παραγωγή υδατανθράκων και οξυγόνου.

Πηγή: Britannica

Κατά την πρώτη ματιά, φαίνεται ότι αυτό μπορεί να μειωθεί σε μια πολύ απλή χημική εξίσωση και θα μπορούσε να αναπαραχθεί εύκολα τεχνητά.

Πηγή: Britannica

Αλλά είναι διαφορετικό όταν εξετάζουμε πώς γίνεται στην πραγματικότητα.

Η φωτοσύνθεση των φυτών είναι στην πραγματικότητα μία από τις πιο σύνθετες βιοχημικές μηχανές, με δεκάδες ενδιάμεσες αντιδράσεις, αμέτρητα υποσυστήματα και μερικές φορές μη καλά κατανοητούς μοριακούς μηχανισμούς που περιλαμβάνουν περίπλοκες κινήσεις ηλεκτρονίων.

Η συνθετική εξήγηση αυτού του θέματος στην εγκυκλοπαίδεια Britannica δεν είναι λιγότερο από 10.000 λέξεις.

Οι επιστήμονες που τη μελετούν πρέπει να αντιμετωπίσουν πολύ πιο σύνθετα σχήματα για να αποκτήσουν μια απλή επισκόπηση της φωτοσύνθεσης:

Πηγή: Lumen Learning

Αν και κυρίως χρησιμοποιείται στη φύση για τη δημιουργία υδατανθράκων, η φωτοσύνθεση θα μπορούσε, θεωρητικά, να χρησιμοποιηθεί για πολλές άλλες εφαρμογές με το φως ως πηγή ενέργειας, όπως, για παράδειγμα, η σύνθεση υδρογόνου από νερό (φωτοκαταλυτική).

Μια παρόμοια διαδικασία φωτοενεργοποιημένης κίνησης ηλεκτρονίων και ιόντων θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία σακχάρων τεχνητά. Αυτή είναι η ιδέα στην οποία εργάζονται τρεις επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο της Βασέλας (Ελβετία). Δημοσίευσαν πρόσφατα στο Nature Chemistry¹ τα αποτελέσματά τους σχετικά με ένα νέο μόριο που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τεχνητή φωτοσύνθεση, με τίτλο “Photoinduced double charge accumulation in a molecular compound”.

Κατασκευή Τεχνητής Χλωροφύλλης

Μοριακά Στοιχεία Πολλαπλής Φόρτισης

Η φυσική φωτοσύνθεση βασίζεται σε μια σειρά ηλεκτροχημικών αντιδράσεων. Ως αποτέλεσμα, απαιτεί τη λεγόμενη κατάσταση διαχωρισμού φορτίου (CSS), στην οποία ένα μόριο φέρει ταυτόχρονα θετικό και αρνητικό φορτίο.

Η φυσική φωτοσύνθεση βασίζεται σε μια σειρά ηλεκτροχημικών αντιδράσεων. Ως αποτέλεσμα, απαιτεί μια λεγόμενη κατάσταση χωριστής φόρτισης (CSS), όπου ένα μόριο φέρει ταυτόχρονα θετικό και αρνητικό φορτίο.

Σημαντικό είναι ότι οι αντιδράσεις δημιουργίας καυσίμου απαιτούν πολλαπλά ηλεκτρόνια, όχι μόνο ένα, κάτι που μέχρι τώρα ήταν το καλύτερο που μπορούσαν να πετύχουν τα συστήματα τεχνητής φωτοσύνθεσης.

Για τη μείωση του CO₂ ειδικά, η μεταφορά πολλαπλών ηλεκτρονίων φαίνεται ουσιώδης, γι’ αυτό και οι περισσότερες λύσεις τεχνητής φωτοσύνθεσης μέχρι τώρα έχουν επικεντρωθεί στην παραγωγή υδρογόνου.

Εδώ η ανακάλυψη των Ελβετών ερευνητών αλλάζει τα πράγματα, με τη δημιουργία ενός ειδικού μορίου που μπορεί να δημιουργήσει και να αποθηκεύσει ταυτόχρονα τέσσερα φορτία υπό φωτεινή διέγερση – δύο θετικά και δύο αρνητικά.

Πηγή: Nature

Πώς Λειτουργεί;

Το μόριο περιέχει ένα κεντρικό τμήμα ευαίσθητο στο φως, το οποίο προκαλεί μετακίνηση ηλεκτρονίου ως απόκριση. Οι ερευνητές ακολούθησαν μια διαδοχική προσέγγιση χρησιμοποιώντας δύο λάμψεις φωτός.

Το μόριο περιέχει ένα κεντρικό τμήμα που είναι ευαίσθητο στο φως και δημιουργεί κίνηση ηλεκτρονίου ως αντίδραση. Οι ερευνητές υιοθέτησαν μια διαδοχική προσέγγιση χρησιμοποιώντας δύο εκκενώσεις φωτός.

Η πρώτη εκκένωση φωτός χτυπά το μόριο και ενεργοποιεί μια αντίδραση στην οποία δημιουργείται ένα θετικό και ένα αρνητικό φορτίο, τα οποία μετακινούνται προς το αντίθετο άκρο του μορίου.

Με τη δεύτερη εκκένωση φωτός, η ίδια αντίδραση επαναλαμβάνεται, ώστε το μόριο να περιέχει δύο θετικά και δύο αρνητικά φορτία.

Πηγή: Nature

Βελτιωμένη Ευαισθησία στο Φως

Το διαδοχικό στάδιο, που χρησιμοποιεί το φως σε διαδικασία δύο βημάτων, είναι σημαντικό όχι μόνο για τη συσσώρευση διπλού ηλεκτρικού φορτίου σε κάθε άκρο του μορίου, αλλά και για τη μείωση της ενέργειας που απαιτείται σε κάθε στάδιο, επιτρέποντας τη λειτουργία του σε χαμηλότερη ένταση φωτός από πριν.

Το διαδοχικό βήμα, με χρήση φωτός σε διαδικασία 2 βημάτων, δεν είναι μόνο σημαντικό για τη συσσώρευση διπλού ηλεκτρικού φορτίου σε κάθε άκρο του μορίου, αλλά και για τη μείωση της απαιτούμενης ενέργειας σε κάθε βήμα, επιτρέποντάς του να λειτουργεί σε χαμηλότερη ένταση φωτός από πριν.

Πηγή: Nature

“Ως αποτέλεσμα, ήδη πλησιάζουμε στην ένταση του ηλιακού φωτός.

Προηγούμενη έρευνα απαιτούσε εξαιρετικά ισχυρό λέιζερ, κάτι που ήταν πολύ μακριά από το όραμα της τεχνητής φωτοσύνθεσης.

Mathis Brändlin – Διδακτορικός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο της Βασέλας

Γιατί Αυτό το Μόριο Είναι ένα Κρίσιμο Βήμα Μπροστά

Ένα ακόμη χαρακτηριστικό αυτού του νέου μορίου είναι ότι διατηρεί το φορτίο του για αρκετό χρόνο ώστε να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδότηση περαιτέρω χημικών αντιδράσεων, κάτι απαραίτητο για κάθε ολοκληρωμένο σύστημα τεχνητής φωτοσύνθεσης.

Ένα ακόμη χαρακτηριστικό αυτού του νέου μορίου είναι ότι διατηρεί το φορτίο του για επαρκώς μεγάλο χρονικό διάστημα ώστε να μπορεί να τροφοδοτήσει περαιτέρω χημικές αντιδράσεις, κάτι απαραίτητο για οποιοδήποτε πλήρες σύστημα τεχνητής φωτοσύνθεσης.

“Έχουμε εντοπίσει και υλοποιήσει ένα σημαντικό κομμάτι του παζλ.

Ελπίζουμε ότι αυτό θα μας βοηθήσει να συμβάλουμε σε νέες προοπτικές για ένα βιώσιμο ενεργειακό μέλλον.

Prof. Oliver Wenger – Πανεπιστήμιο της Βασέλας

Με διατήρηση φορτίου 120 μικροδευτερόλεπτα (χίλια έως εκατομμύρια φορές καλύτερη από πριν), αυτό θα πρέπει να είναι αρκετό για χημικές αντιδράσεις, ακόμη και αν η ιδανική διάρκεια θα μετριόταν σε δευτερόλεπτα.

Έτσι, σε σύγκριση με μοριακά στοιχεία μονοφορτισμένα ή μόνο ενός τύπου φορτίου, που δοκιμάστηκαν σε προηγούμενα πειράματα, αυτό είναι το πιο υποσχόμενο μόριο για την ανάπτυξη τεχνητής φωτοσύνθεσης μέχρι σήμερα.

Περαιτέρω βελτιώσεις στο σχεδιασμό θα μπορούσαν να ενισχύσουν την ικανότητά του να λειτουργεί σε φυσική ένταση φωτός ή να διατηρεί τα ηλεκτρικά φορτία για ακόμη μεγαλύτερο χρονικό διάστημα.

Το άλλο βασικό μέρος μιας διαδικασίας τεχνητής φωτοσύνθεσης που πρέπει ακόμη να σχεδιαστεί είναι ένα χρωστικό με υψηλής ενέργειας διεγερμένες καταστάσεις, καθώς και κατάλληλοι καταλύτες που να παρέχουν επαρκή οξειδωτική-αναγωγική ισχύ για τη διάσπαση του νερού ή τη μείωση του CO₂.

Σύρετε για κύλιση →

Επένδυση σε Βιώσιμη Καινοτομία

DuPont

Η DuPont είναι μια τεράστια χημική εταιρεία με πολλά σημαντικά χημικά με εμπορικά σήματα, όπως Kevlar, Styrofoam, Nomex (προστασία από φωτιά), Great Stuff (κατασκευαστικό κόλλα), κ.λπ. Η προηγμένη έρευνα πολυμερών της και οι μάρκες προστατευτικών υλικών θα μπορούσαν να την τοποθετήσουν σε θέση να ωφεληθεί από τις τεχνολογίες διπλού δικτύου μεταϋλικών.

Η DuPont είναι μια αρχαία εταιρεία με πολύπλοκη ιστορία εξαγορών και, πιο πρόσφατα, μια σειρά αποσπασμάτων.

Πηγή: DuPont

Αυτά τα αποσπάσματα έχουν διαχωρίσει από τη DuPont τα τμήματα διατροφής και βιοεπιστήμης, που πωλήθηκαν εν μέρει στην Corteva Biosciences (CTVA -0.95%), προϊόντα τιτανίου για τη δημιουργία της Chemours Company (CC )  (CC -1.05%), και κινητικότητας.

Θα διαχωριστεί επίσης από την επιχείρηση ηλεκτρονικών χημικών της τον Νοέμβριο του 2025, αλλά θα διατηρήσει τον τομέα του νερού (μεμβράνες και φίλτρα για καθαρισμό νερού και αφαλάτωση), σε αντίθεση με τα προηγούμενα σχέδια.

Πηγή: DuPont

Αυτό θα αφήσει τη DuPont μια πολύ πιο εστιασμένη εταιρεία, με κύρια δραστηριότητα στα προηγμένα πολυμερή για καθαρισμό νερού και εξοπλισμό προστασίας, καθώς και σε προηγμένα υλικά για αεροδιαστημική, υγειονομική περίθαλψη και ηλεκτρικά οχήματα.

Πηγή: DuPont

Η DuPont είναι μια πραγματικά διεθνής εταιρεία, με υψηλή ζήτηση για εξειδικευμένα χημικά στον καθαρισμό νερού και τη βιομηχανική παραγωγή.

Οι τομείς που εξυπηρετούν τα χημικά της DuPont είναι επίσης πολύ ποικίλοι, συμπεριλαμβανομένων των κατασκευών, του καθαρισμού νερού, της βιομηχανίας ηλεκτρονικών, της αυτοκινητοβιομηχανίας, της αεροδιαστημικής, της υγειονομικής περίθαλψης, της πράσινης ενέργειας και της βιομηχανικής παραγωγής.

Πηγή: DuPont

Σχετικά με την τεχνητή φωτοσύνθεση, η χημική εταιρεία εργάζεται στην τεχνολογία μέσω συνεργασιών με την ακαδημαϊκή κοινότητα, ιδιαίτερα με το Πανεπιστήμιο Πενσυλβανίας.

«Ο στόχος αυτής της συνεργατικής έρευνας είναι η ανάπτυξη ενός ευρέως εφαρμόσιμου υπολογιστικού πρωτοκόλλου … για την επιτάχυνση της επιλογής φωτοενεργών υλικών που μπορούν να διασπαστούν το νερό αποτελεσματικά σε υδρογόνο και οξυγόνο.»

Η ισχυρή παρουσία της DuPont στον προστατευτικό εξοπλισμό και η καθιερωμένη θέση με τη μάρκα Kevlar, ένα υψηλής απόδοσης πολυμερές, θα την βοηθήσουν να προσαρμόσει νέες μορφές μεταϋλικών σε εμπορικά προϊόντα. Και η παρουσία της στην πράσινη ενέργεια θα βοηθήσει στην εμπορευματοποίηση χημικών για τη μελλοντική εμπορική διαδικασία τεχνητής φωτοσύνθεσης.

Σε κάθε περίπτωση, καθώς οι νέες τεχνολογίες αναπτύσσονται, όπως και η κατανάλωση νερού, αυξάνεται και η ζήτηση για τα προηγμένα χημικά που παράγει η DuPont.

Τελευταία Νέα και Ανάπτυξη Μετοχών Dupont (DD)

Μελετημένη Αναφορά

^{1. Brändlin, M., Pfund, B. & Wenger, O.S. Φωτοενεργοποιημένη διπλή συσσώρευση φορτίου σε μοριακό σύμπλεγμα. Nature. Chemistry. (2025). https://doi.org/10.1038/s41557-025-01912-x}