स्थिरता
नई अणु कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण को वास्तविकता के करीब लाता है
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प्राकृतिक प्रकाशसंश्लेषण को बदलना
Directly or indirectly, a massive amount of the energy we use has been produced through photosynthesis.
सीधे या परोक्ष रूप से, हम द्वारा उपयोग की जाने वाली बड़ी मात्रा में ऊर्जा प्रकाशसंश्लेषण के माध्यम से उत्पन्न हुई है।
यह, बेशक, हमारे शरीर को ऊर्जा देने वाले कैलोरीज़ के लिए सत्य है, लेकिन अंततः जीवाश्म ईंधनों के लिए भी, जो केवल उन पौधों की “संग्रहीत” प्रकाशसंश्लेषण हैं जो अनगिनत वर्षों पहले मर गए थे।
इसलिए, हमारी ऊर्जा और खाद्य प्रणाली को अधिक हरित बनाने के कई प्रयास या तो प्राकृतिक प्रकाशसंश्लेषण को सुधारने या इसे नई उपयोगों के लिए उपयोग करने पर केंद्रित रहे हैं, जैसे कि शैवाल से बायोफ्यूल बनाना।
इसे बड़े पैमाने पर बनाना वायुमंडल में बढ़ती CO2 सांद्रता को सीमित करने में महत्वपूर्ण साबित हो सकता है।
लेकिन यदि हम प्रकाशसंश्लेषण प्रक्रिया की नकल जीवित जीवों के बिना कर सकें तो? आखिरकार, यह एक इलेक्ट्रोकेमिकल प्रक्रिया है जिसे अनिवार्य रूप से जीवित कोशिकाओं की आवश्यकता नहीं होती। यही तथाकथित “कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण” का वादा है।
यह हमारी सूर्य ऊर्जा को पकड़ने की क्षमता को फोटोवोल्टाइक से एक कदम ऊपर ले जाएगा, जो केवल सूर्य के प्रकाश से बिजली बना सकता है, लेकिन रासायनिक प्रतिक्रियाओं को सीधे प्रभावित नहीं करता।
Some progress has been made, विशेष रूप से प्रकाशसंश्लेषण-समान हाइड्रोजन उत्पादन की दिशा में, but more work is needed for a closer replica.
प्रकृति में प्रकाशसंश्लेषण कैसे काम करता है
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.
Source: स्रोत: Britannica
पहली नज़र में, ऐसा लगता है कि इसे एक बहुत सरल रासायनिक समीकरण में घटाया जा सकता है और इसे कृत्रिम रूप से आसानी से दोहराया जा सकता है।
Source: स्रोत: Britannica
जब आप वास्तविक प्रक्रिया को देखते हैं तो यह एक अलग कहानी है।
पौधों का प्रकाशसंश्लेषण वास्तव में सबसे जटिल जैव रासायनिक मशीनों में से एक है, जिसमें दर्जनों मध्यवर्ती प्रतिक्रियाएँ, अनेक उप-घटक, और कभी-कभी जटिल इलेक्ट्रॉन गति शामिल करने वाले अणु तंत्र होते हैं जो पूरी तरह समझे नहीं गए हैं।
ब्रिटानिका विश्वकोश में इस विषय की संश्लेषित व्याख्या न्यूनतम 10,000 शब्दों की है।
इसे अध्ययन करने वाले वैज्ञानिकों को केवल प्रकाशसंश्लेषण का एक सारांश प्राप्त करने के लिए भी अधिक जटिल योजनाओं से निपटना पड़ता है:
Source: स्रोत: Lumen Learning
जबकि प्रकृति में मुख्यतः कार्बोहाइड्रेट बनाने के लिए उपयोग किया जाता है, सिद्धांततः प्रकाशसंश्लेषण को प्रकाश को ऊर्जा स्रोत के रूप में उपयोग करके कई अन्य अनुप्रयोगों के लिए भी इस्तेमाल किया जा सकता है, जैसे जल से हाइड्रोजन का संश्लेषण (फोटोकैटलिसिस)।
प्रकाश-प्रेरित इलेक्ट्रॉन और आयन गति की समान प्रक्रिया का उपयोग करके शर्करा को कृत्रिम रूप से भी बनाया जा सकता है। यह वही विचार है जिस पर बासेल विश्वविद्यालय (स्विट्ज़रलैंड) के तीन वैज्ञानिक काम कर रहे हैं। उन्होंने हाल ही में Nature Chemistry1 में “Photoinduced double charge accumulation in a molecular compound” शीर्षक के तहत एक नए अणु के परिणाम प्रकाशित किए हैं, जो कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण के लिए उपयोगी हो सकता है।
कृत्रिम क्लोरोफिल का निर्माण
बहु-चार्ज अणु
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.
महत्वपूर्ण बात यह है कि ईंधन निर्माण प्रतिक्रियाओं को कई इलेक्ट्रॉनों की आवश्यकता होती है, न कि केवल एक की, जो अब तक कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण प्रणालियों की सर्वोत्तम उपलब्धि रही है।
विशेष रूप से CO2 के कमीकरण के लिए, बहु-इलेक्ट्रॉन ट्रांसफर आवश्यक प्रतीत होता है, यही कारण है कि अब तक अधिकांश कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण समाधान हाइड्रोजन उत्पादन पर केंद्रित रहे हैं।
यहाँ स्विस शोधकर्ताओं की खोज चीज़ों को बदल रही है, क्योंकि उन्होंने एक विशेष अणु बनाया है जो प्रकाश के तहत एक साथ चार चार्ज संग्रहीत कर सकता है – दो सकारात्मक और दो नकारात्मक।
Source: स्रोत: Nature
यह कैसे काम करता है?
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.
पहली प्रकाश चमक अणु को प्रभावित करती है और एक प्रतिक्रिया को उत्प्रेरित करती है जिसमें एक सकारात्मक और एक नकारात्मक चार्ज उत्पन्न होते हैं, और अणु के विपरीत सिरे की ओर गति करते हैं।
दूसरी प्रकाश चमक के साथ, वही प्रतिक्रिया फिर से होती है, जिससे अणु में दो सकारात्मक और दो नकारात्मक चार्ज होते हैं।
Source: स्रोत: Nature
सुधारित प्रकाश संवेदनशीलता
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.
Source: स्रोत: Nature
“As a result, we are already moving close to the intensity of sunlight.
Earlier research required extremely strong laser light, which was a far cry from the vision of artificial photosynthesis.”
यह अणु आगे का एक महत्वपूर्ण कदम क्यों है
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.
“We have identified and implemented an important piece of the puzzle.
We hope that this will help us contribute to new prospects for a sustainable energy future.”
120 माइक्रोसेकंड चार्ज रिटेंशन (पहले से हजार से एक मिलियन गुना बेहतर) के साथ, यह रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए पर्याप्त होना चाहिए, भले ही आदर्श अवधि सेकंड में मापी जाती।
इसलिए, पिछले प्रयोगों में प्रयुक्त एकल-चार्ज या केवल एक प्रकार के चार्ज वाले फोटो-संवेदनशील अणुओं की तुलना में, यह अब तक कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण विकसित करने के लिए सबसे आशाजनक अणु है।
डिज़ाइन में आगे के समायोजन इसे प्राकृतिक प्रकाश तीव्रता में कार्य करने या विद्युत चार्ज को और अधिक समय तक बनाए रखने की क्षमता को सुधार सकते हैं।
कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण प्रक्रिया का दूसरा मुख्य भाग अभी तक डिज़ाइन नहीं किया गया है, वह है उच्च-ऊर्जा उत्तेजित अवस्थाओं वाला पिग्मेंट, साथ ही जल विभाजन या CO2 कमीकरण के लिए पर्याप्त रेडॉक्स शक्ति प्रदान करने वाले उपयुक्त उत्प्रेरक।
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| वर्ष | उपलब्धि | संस्था/कंपनी | प्रभाव |
|---|---|---|---|
| 2015 | कृत्रिम हाइड्रोजन उत्पादन | Berkeley Lab | सूर्यप्रकाश-चालित हाइड्रोजन ईंधन के लिए अवधारणा प्रमाण |
| 2020 | कुशल CO2 कमीकरण उत्प्रेरक | Toyota Research Institute | CO2 से ईंधन परिवर्तन दक्षता में वृद्धि |
| 2025 | बहु-चार्ज अणु की खोज | University of Basel | कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण के लिए चार चार्ज संग्रहीत करने वाला पहला अणु |
स्थायी नवाचार में निवेश
DuPont
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DuPont एक विशाल रासायनिक कंपनी है जिसके पास कई महत्वपूर्ण ब्रांडेड रसायन हैं, जैसे Kevlar, Styrofoam, Nomex (आग सुरक्षा), Great Stuff (निर्माण चिपकने वाला) आदि। इसके उन्नत पॉलीमर अनुसंधान और सुरक्षा सामग्री ब्रांड इसे डबल-नेटवर्क मेटामटेरियल तकनीकों से लाभ उठाने की स्थिति में रख सकते हैं।
DuPont एक प्राचीन निगम है जिसका अधिग्रहणों का जटिल इतिहास है, और हाल ही में कई स्पिन-ऑफ़ की श्रृंखला हुई है।
Source: स्रोत: DuPont
इन स्पिन-ऑफ़ ने DuPont से पोषण और बायोसाइंस विभागों को अलग किया, जो आंशिक रूप से Corteva Biosciences (CTVA -0.95%) को बेचा गया, टाइटेनियम उत्पादों को Chemours Company (CC ) (CC -1.05%) में बदल दिया, और मोबिलिटी को अलग किया।
यह भी नवंबर 2025 में अपने इलेक्ट्रॉनिक रसायन व्यवसाय से अलग होगा, लेकिन जल खंड (जल शुद्धिकरण और डीसालिनेशन के लिए मेम्ब्रेन और फ़िल्टर) को बनाए रखेगा, जो पहले की योजनाओं के विपरीत है।
Source: स्रोत: DuPont
यह DuPont को एक अधिक केंद्रित कंपनी बना देगा, जिसका मुख्य कार्य जल शुद्धिकरण और सुरक्षा उपकरणों के लिए उन्नत पॉलीमर, साथ ही एयरोस्पेस, स्वास्थ्य देखभाल और इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए उन्नत सामग्री होगा।
Source: स्रोत: DuPont
DuPont वास्तव में एक अंतरराष्ट्रीय निगम है, जिसके पास जल शुद्धिकरण और औद्योगिक निर्माण में विशेष रसायनों की उच्च मांग है।
DuPont रसायनों द्वारा सेवा किए जाने वाले क्षेत्रों में निर्माण, जल शुद्धिकरण, इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग, ऑटोमोटिव, एयरोस्पेस, स्वास्थ्य देखभाल, हरी ऊर्जा और औद्योगिक उत्पादन शामिल हैं।
Source: स्रोत: DuPont
कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण के संबंध में, यह रासायनिक कंपनी अकादमिक संस्थानों के साथ साझेदारी के माध्यम से, विशेष रूप से Penn University के साथ, तकनीक पर काम कर रही है।
“इस सहयोगी शोध का लक्ष्य एक व्यापक रूप से लागू होने वाला कम्प्यूटेशनल प्रोटोकॉल विकसित करना है … ताकि जल को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में प्रभावी रूप से विभाजित करने वाले फोटोएक्टिव सामग्री की चयन प्रक्रिया को तेज किया जा सके।”
DuPont की सुरक्षा उपकरणों में मजबूत उपस्थिति और Kevlar ब्रांड के साथ स्थापित स्थिति, जो एक उच्च-प्रदर्शन पॉलीमर है, इसे मेटामटेरियल के नए रूपों को व्यावसायिक उत्पादों में अनुकूलित करने में मदद करनी चाहिए। और इसकी हरी ऊर्जा में उपस्थिति कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण के व्यावसायिक प्रक्रिया के लिए रसायनों के व्यावसायीकरण में सहायक होगी।
किसी भी स्थिति में, नई तकनीकों के बढ़ने के साथ, जल की खपत के साथ-साथ, DuPont द्वारा उत्पादित उन्नत रसायनों की मांग भी बढ़ रही है।
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उद्धृत अध्ययन
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
