Una Nuova Molecola Avvicina la Fotosintesi Artificiale alla Realtà

Sostituire la Fotosintesi Naturale

Direttamente o indirettamente, una parte enorme dell’energia che utilizziamo è stata prodotta attraverso la fotosintesi.

Questo è, ovviamente, vero per le calorie che alimentano i nostri corpi, ma in definitiva anche per i combustibili fossili, che sono semplicemente fotosintesi “immagazzinata” da piante morte da eoni.

Quindi, molti sforzi per rendere più verde il nostro sistema energetico e alimentare sono stati dedicati sia al miglioramento della fotosintesi naturale sia a sfruttarla per nuovi usi, come la creazione di biocarburanti da alghe.

Costruirla su larga scala potrebbe rivelarsi cruciale per limitare l’aumento della concentrazione di CO2 nell’atmosfera.

Ma se potessimo imitare il processo di fotosintesi senza dover gestire organismi viventi? Dopotutto, è un processo elettrochimico che non richiede necessariamente cellule viventi. Questa è la promessa della cosiddetta “fotosintesi artificiale”.

Eleverebbe la nostra capacità di catturare l’energia solare di un passo rispetto al fotovoltaico, che può “solo” generare elettricità dalla luce solare, ma non influenzare direttamente le reazioni chimiche.

Alcuni progressi sono stati fatti, in particolare verso la produzione di idrogeno simile alla fotosintesi, ma è necessario più lavoro per una replica più fedele.

Come Funziona la Fotosintesi in Natura

Nelle piante, la fotosintesi consiste, in termini molto semplici, nell’assorbire anidride carbonica e acqua, utilizzare la luce come fonte di energia e produrre carboidrati e ossigeno.

Fonte: Britannica

A prima vista, sembra che questo possa essere ridotto a un’equazione chimica molto semplice e possa essere facilmente replicato artificialmente.

Fonte: Britannica

È un’altra storia quando si guarda a come viene realmente eseguita.

La fotosintesi vegetale è in realtà uno dei meccanismi biochimici più complessi, con decine di reazioni intermedie, una moltitudine di sottocomponenti e meccanismi molecolari non sempre pienamente compresi che comportano elaborati movimenti di elettroni.

La spiegazione sintetica dell’argomento nell’enciclopedia Britannica is no less than 10,000 words.

Per ottenere anche solo una visione d’insieme della fotosintesi, gli scienziati devono confrontarsi con schemi molto più complessi:

Fonte: Lumen Learning

Sebbene in natura serva soprattutto a produrre carboidrati, in teoria la fotosintesi potrebbe utilizzare la luce come fonte di energia per molte altre applicazioni, per esempio la produzione di idrogeno dall’acqua mediante fotocatalisi.

Un processo simile di movimento di elettroni e ioni indotto dalla luce potrebbe anche essere usato per creare zuccheri artificialmente. Questa è l’idea su cui tre scienziati stanno lavorando all’Università di Basilea (Svizzera). Hanno recentemente pubblicato su Nature Chemistry¹ i loro risultati riguardanti una nuova molecola che potrebbe essere usata per la fotosintesi artificiale, intitolata “Photoinduced double charge accumulation in a molecular compound”.

Costruire la Clorofilla Artificiale

Molecole Multi-Carica

La fotosintesi naturale si basa su una serie di reazioni elettrochimiche. Richiede quindi un cosiddetto stato a separazione di carica (CSS), nel quale una molecola porta contemporaneamente una carica positiva e una negativa.

È importante notare che le reazioni di formazione del combustibile richiedono più elettroni, non solo uno, cosa che finora è il massimo che i sistemi di fotosintesi artificiale sono riusciti a ottenere.

Per la riduzione della CO2 in particolare, il trasferimento multi-elettronico sembra essenziale, ed è anche il motivo per cui la maggior parte delle soluzioni di fotosintesi artificiale finora si è concentrata sulla generazione di idrogeno.

Qui la scoperta dei ricercatori svizzeri sta cambiando le cose, con la creazione di una molecola speciale che può generare e immagazzinare quattro cariche simultaneamente sotto irradiazione luminosa – due positive e due negative.

Fonte: Nature

Come Funziona?

La molecola contiene una parte centrale sensibile alla luce, che in risposta provoca lo spostamento di un elettrone. I ricercatori hanno adottato un approccio sequenziale utilizzando due impulsi luminosi.

Il primo lampo di luce colpisce la molecola e innesca una reazione in cui vengono generate una carica positiva e una negativa, che si spostano verso l’estremità opposta della molecola.

Con il secondo lampo di luce, la stessa reazione avviene di nuovo, così la molecola contiene due cariche positive e due negative.

Fonte: Nature

Sensibilità alla Luce Migliorata

Il passaggio sequenziale, che utilizza la luce in un processo a due fasi, è importante non solo per accumulare una doppia carica elettrica alle due estremità della molecola, ma anche per ridurre l’energia necessaria in ciascuna fase. In questo modo il sistema può funzionare con un’intensità luminosa inferiore rispetto al passato.

Fonte: Nature

“Di conseguenza, ci stiamo già avvicinando all’intensità della luce solare.

Le ricerche precedenti richiedevano una luce laser estremamente forte, molto distante dalla visione della fotosintesi artificiale.

Mathis Brändlin – dottorando presso l’Università di Basilea

Perché Questa Molecola è un Passo Chiave in Avanti

Un’altra qualità della nuova molecola è la capacità di conservare la carica abbastanza a lungo da alimentare ulteriori reazioni chimiche, requisito indispensabile per qualsiasi sistema completo di fotosintesi artificiale.

“Abbiamo identificato e implementato un pezzo importante del puzzle.

Speriamo che questo ci aiuti a contribuire a nuove prospettive per un futuro energetico sostenibile.

Prof.Oliver Wenger – Università di Basilea

Con una ritenzione di carica di 120 microsecondi (migliaia‑a‑milioni di volte migliore rispetto a prima), dovrebbe essere sufficiente per le reazioni chimiche, anche se la durata ideale sarebbe misurata in secondi.

Quindi, rispetto alle molecole fotosensibili a carica singola, o di un solo tipo di carica, testate in esperimenti passati, questa è la molecola più promettente finora per lo sviluppo della fotosintesi artificiale.

Ulteriori modifiche al design potrebbero migliorare la sua capacità di operare con l’intensità della luce naturale o di trattenere le cariche elettriche ancora più a lungo.

L’altra parte chiave di un processo di fotosintesi artificiale che deve ancora essere progettata è un pigmento con stati eccitati ad alta energia, così come catalizzatori adeguati per fornire sufficiente potere redox per la scissione dell’acqua o la riduzione della CO2.

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Investire nell’Innovazione Sostenibile

DuPont

DuPont è una massiccia azienda chimica con molti importanti prodotti chimici di marca, come Kevlar, Styrofoam, Nomex (protezione dal fuoco), Great Stuff (adesivo da costruzione), ecc. La sua ricerca avanzata sui polimeri e i marchi di materiali protettivi potrebbero posizionarla per beneficiare delle tecnologie di metamateriali a doppia rete.

DuPont è una corporazione antica con una storia complessa di acquisizioni e, più recentemente, una serie di spin‑off.

Fonte: DuPont

Questi spin‑off hanno separato da DuPont i dipartimenti di nutrizione e bioscienza, parzialmente venduti a Corteva Biosciences (CTVA -0.95%), prodotti di titanio per formare la Chemours Company (CC )  (CC -1.05%), e mobilità.

Separarà anche il suo business di prodotti chimici elettronici a novembre 2025, ma manterrà il segmento acqua (membrane e filtri per la purificazione e desalinizzazione dell’acqua), contrariamente ai piani precedenti.

Fonte: DuPont

Questo lascerà DuPont un’azienda molto più focalizzata, con un’attività principale nei polimeri avanzati per la purificazione dell’acqua e le attrezzature di protezione, così come materiali avanzati per l’aerospazio, la sanità e i veicoli elettrici.

Fonte: DuPont

DuPont è una vera corporazione internazionale, con alta domanda di prodotti chimici speciali nella purificazione dell’acqua e nella produzione industriale.

I settori serviti dai prodotti chimici DuPont sono anche molto vari, includendo costruzione, purificazione dell’acqua, industria elettronica, automotive, aerospazio, sanità, energia verde e produzione industriale.

Fonte: DuPont

Per quanto riguarda la fotosintesi artificiale, l’azienda chimica sta lavorando alla tecnologia tramite partnership con il mondo accademico, in particolare con la Penn University.

“L’obiettivo di questa ricerca collaborativa è sviluppare un protocollo computazionale ampiamente applicabile … per accelerare la selezione di materiali fotoattivi che possano scindere efficientemente l’acqua in idrogeno e ossigeno.”

La forte presenza di DuPont in attrezzature protettive e la posizione consolidata con il marchio Kevlar, un polimero ad alte prestazioni, dovrebbe aiutarla ad adattare nuove forme di metamateriali in prodotti commerciali. E la sua presenza nell’energia verde dovrebbe favorire la commercializzazione di prodotti chimici per il futuro processo commerciale di fotosintesi artificiale.

In ogni caso, con la crescita delle nuove tecnologie, così come del consumo d’acqua, cresce anche la domanda per i prodotti chimici avanzati prodotti da DuPont.

Ultime Notizie e Sviluppi sulle Azioni Dupont (DD)

Studio Citato

^{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}