Uusi molekyyli tuo keinotekoisen fotosynteesin lähemmäs todellisuutta

Luonnollisen fotosynteesin korvaaminen

Directly or indirectly, a massive amount of the energy we use has been produced through photosynthesis.

Suoraan tai välillisesti suuri osa käyttämästämme energiasta on syntynyt fotosynteesin avulla.

Tämä on tietysti totta kehojamme energisoiville kaloreille, mutta lopulta myös fossiilisille polttoaineille, jotka ovat vain “varastoituja” fotosynteesiä kasveista, jotka kuolivat ikuisuuksia sitten.

Siksi monet pyrkimykset tehdä energi- ja elintarvikejärjestelmistämme vihreämpiä on kohdistettu joko luonnollisen fotosynteesin parantamiseen tai sen hyödyntämiseen uusissa sovelluksissa, kuten biopolttoaineiden tuottamisessa levästä.

Sen skaalaaminen voi osoittautua ratkaisevaksi kasvavan CO2-pitoisuuden rajoittamisessa ilmakehässä.

Mutta entä jos voisimme jäljitellä fotosynteesiprosessia ilman elävien organismien käsittelyä? Se on nimittäin elektrokemiallinen prosessi, joka ei välttämättä vaadi elävien solujen läsnäoloa. Tämä on niin sanotun “keinotekoisen fotosynteesin” lupaus.

Se nostaisi kykyämme kerätä auringon energiaa askeleen yli fotovoltaiikkaan, joka voi “vain” tuottaa sähköä auringonvalosta, mutta ei suoraan vaikuta kemiallisiin reaktioihin.

Jonkin verran edistystä on saavutettu, erityisesti fotosynteesiä muistuttavan vedyn tuotannon suuntaan, mutta tarkempaa jäljennöstä varten tarvitaan vielä enemmän työtä.

Miten fotosynteesi toimii luonnossa

In plants, photosynthesis is, roughly speaking, in its simplest form. The process of taking in CO2 and water, using light as an energy source, and producing carbohydrates and oxygen.

Lähde: Britannica

Ensimmäisellä silmäyksellä tämä vaikuttaa voidavan tiivistää hyvin yksinkertaiseen kemialliseen yhtälöön ja sen voitaisiin helposti jäljitellä keinotekoisesti.

Lähde: Britannica

Tilanne on toinen, kun tarkastelee miten se todellisuudessa toteutetaan.

Kasvien fotosynteesi on itse asiassa yksi monimutkaisimmista biokemiallisista koneistoista, jossa on kymmeniä välivaiheita, lukuisia alikomponentteja ja joskus huonosti ymmärrettyjä molekyylimekanismeja, jotka sisältävät monimutkaisia elektroniliikkeitä.

Britannican tietosanakirjassa tämän aiheen synteettinen selitys on vähintään 10 000 sanaa.

Tätä tutkivien tiedemiesten täytyy käsitellä melko monimutkaisempia kaavioita saadakseen edes yleiskuvan fotosynteesistä:

Lähde: Lumen Learning

Vaikka fotosynteesiä käytetään luonnossa pääasiassa hiilihydraattien tuottamiseen, sitä voitaisiin teoriassa käyttää moniin muihin sovelluksiin, joissa valo toimii energialähteenä, esimerkiksi vedyn synteesiin vedestä (fotokatalyysi).

Samanlainen valon aiheuttama elektronien ja ionien liike voisi myös mahdollistaa sokerien keinotekoisen valmistuksen. Tämä on se idea, jonka parissa kolme tiedemiestä työskentelee Baselin yliopistossa (Sveitsi). He julkaisevat äskettäin Nature Chemistry -lehdessä¹ tuloksensa uudesta molekyylistä, jota voitaisiin käyttää keinotekoiseen fotosynteesiin, otsikolla “Photoinduced double charge accumulation in a molecular compound”.

Keinotekoisen klorofyllin rakentaminen

Monikuormaiset molekyylit

Natural photosynthesis relies on a series of electrochemical reactions. As a result, it requires a so-called charge-separated state (CSS), where a molecule carries at the same time a positive and a negative charge.

Luonnollinen fotosynteesi perustuu sarjaan elektrokemiallisia reaktioita. Tämän seurauksena se vaatii niin sanotun varauserotetun tilan (CSS), jossa molekyyli kantaa samanaikaisesti positiivista ja negatiivista varausta.

On tärkeää, että polttoainetta muodostavat reaktiot vaativat useita elektroneja, eivät vain yhtä, mikä on tähän mennessä ollut paras, mitä keinotekoisen fotosynteesin järjestelmät ovat saavuttaneet.

CO2:n pelkistämisessä erityisesti monielektroninsiirto näyttää olevan olennaista, minkä vuoksi suurin osa tähän mennessä kehitetystä keinotekoisen fotosynteesin ratkaisusta on keskittynyt vedyn tuotantoon.

Tässä kohtaa sveitsiläisten tutkijoiden löytö muuttaa tilannetta, kun he ovat luoneet erityisen molekyylin, joka voi valon säteilyssä tuottaa ja varastoida neljä varausta samanaikaisesti – kaksi positiivista ja kaksi negatiivista.

Lähde: Nature

Miten se toimii?

The molecule contains a center part that is sensitive to light and generates an electron move in response. The researchers took a sequential approach using two flashes of light.

Molekyylissä on keskiosa, joka on herkkä valolle ja aiheuttaa elektronin liikkeen vasteena. Tutkijat käyttivät peräkkäistä lähestymistapaa kahdella valonsädeyksiköllä.

Ensimmäinen valonsäde osuu molekyyliin ja käynnistää reaktion, jossa syntyy positiivinen ja negatiivinen varaus, jotka liikkuvat molekyylin vastakkaiseen päähän.

Toisen valonsäteen kanssa sama reaktio tapahtuu uudelleen, jolloin molekyyli sisältää kaksi positiivista ja kaksi negatiivista varausta.

Lähde: Nature

Parannettu valosensitiivisyys

The sequential step, using light in a 2-step process, is not only important to accumulate a double electrical charge on each end of the molecule, but also to reduce the energy required for each step, allowing it to function in lower light intensity than before.

Lähde: Nature

“Tämän seurauksena olemme jo lähellä auringonvalon intensiteettiä.

Aikaisempi tutkimus vaati äärimmäisen voimakasta laservaloa, mikä oli kaukana keinotekoisen fotosynteesin visiosta.

Mathis Brändlin – tohtoriopiskelija Baselin yliopistossa

Miksi tämä molekyyli on merkittävä edistysaskel

Another quality of this new molecule is that it retains its charge for a sufficiently long time to be used in powering further chemical reactions, a must-have for any complete artificial photosynthesis system.

“Olemme tunnistaneet ja toteuttaneet tärkeän osan palapelistä.

Toivomme, että tämä auttaa meitä edistämään uusia näkymiä kestävän energian tulevaisuudelle.

Prof. Oliver Wenger – Baselin yliopisto

120 mikrosekunnin varauskesto (tuhat‑miljoona kertaa parempi kuin aiemmin) pitäisi riittää kemiallisille reaktioille, vaikka ihanteellinen kesto olisi sekunteina.

Joten verrattuna yksivaraus- tai vain yhden varauslajin valosensitiivisiin molekyyleihin, joita on kokeiltu aiemmissa kokeissa, tämä on tähän mennessä lupaavoin molekyyli keinotekoisen fotosynteesin kehittämiseen.

Lisämuokkauksilla suunnittelussa voitaisiin parantaa sen kykyä toimia luonnollisessa valon intensiteetissä tai säilyttää sähkövarauksia vielä pidempään.

Toinen keskeinen osa keinotekoista fotosynteesiprosessia, jota ei ole vielä suunniteltu, on pigmentti, jossa on korkeaenergiaisia eksitoituja tiloja, sekä sopivat katalyytit, jotka tarjoavat riittävän redoksivoiman veden jakamiseen tai CO2:n pelkistämiseen.

Pyyhkäise vierittääksesi →

Sijoittaminen kestävään innovaatioon

DuPont

DuPont on valtava kemian yritys, jolla on monia tärkeitä brändättyjä kemikaaleja, kuten Kevlar, Styrofoam, Nomex (palosuoja), Great Stuff (rakennusliima) jne. Sen kehittynyt polymeeritutkimus ja suojaavien materiaalien brändit voivat asettaa sen hyötymään kaksiverkkoisista metamateriaali‑teknologioista.

DuPont on ikivanha yhtiö, jolla on monimutkainen historia yritysostojen ja viime aikoina sarjan spin‑offien.

Lähde: DuPont

Nämä spin‑offit ovat eriyttäneet DuPontista ravitsemus- ja bioscientistiosastot, osittain myyty Corteva Biosciencesille (CTVA -0,95 %), titaanituotteet muodostaen Chemours Companyn (CC -1,05 %), sekä liikkuvuus.

Se myös erottaa elektronisten kemikaalien liiketoimintansa marraskuussa 2025, mutta säilyttää vesisegmentin (kalvot ja suodattimet veden puhdistukseen ja suolanpoistoon), vastoin aikaisempia suunnitelmia.

Lähde: DuPont

Tämä tekee DuPontista paljon fokusoituneemman yhtiön, jonka ydinaktiviteetti on kehittyneet polymerit veden puhdistukseen ja suojavarusteisiin sekä kehittyneet materiaalit ilmailuun, terveydenhuoltoon ja sähköajoneuvoihin.

Lähde: DuPont

DuPont on todellakin kansainvälinen yhtiö, jolla on suuri kysyntä erikoiskemikaaleille veden puhdistuksessa ja teollisessa valmistuksessa.

DuPontin kemikaaleilla palvellut toimialat ovat myös hyvin monipuolisia, mukaan lukien rakennus, veden puhdistus, elektroniikkateollisuus, autoteollisuus, ilmailu, terveydenhuolto, vihreä energia ja teollinen tuotanto.

Lähde: DuPont

Keinotekoisen fotosynteesin osalta kemian yritys työskentelee teknologian parissa yliopistoyhteistyön kautta, erityisesti Penn Universityn kanssa.

“Tämän yhteistyötutkimuksen tavoitteena on kehittää laajasti sovellettava laskennallinen protokolla … kiihdyttämään valoa aktiivisten materiaalien valintaa, jotka voivat tehokkaasti jakaa veden vedeksi ja hapeksi.”

DuPontin vahva läsnäolo suojaavissa varusteissa ja vakiintunut asema Kevlar‑brändin kanssa, joka on korkean suorituskyvyn polymeeri, pitäisi auttaa sitä soveltamaan uusia metamateriaalimuotoja kaupallisiin tuotteisiin. Lisäksi sen läsnäolo vihreässä energiassa auttaa kaupallistamaan kemikaaleja tulevaisuuden keinotekoisen fotosynteesin kaupallisessa prosessissa.

Joka tapauksessa, kun uudet teknologiat kasvavat ja vedenkulutus lisääntyy, myös DuPontin tuottamien kehittyneiden kemikaalien kysyntä kasvaa.

Viimeisimmät Dupont (DD) -osakkeen uutiset ja kehitys

Viitattu tutkimus

^{1. Brändlin, M., Pfund, B. & Wenger, O.S. Photoinduced double charge accumulation in a molecular compound. Nature. Chemistry. (2025). https://doi.org/10.1038/s41557-025-01912-x}