Una Nuova Molecola Avvicina la Fotosintesi Artificiale alla Realtà

Sostituire la Fotosintesi Naturale

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

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

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.

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.

Plant photosynthesis is actually one of the most complex biochemical machineries, with dozens of intermediary reactions, a myriad of sub-components, and sometimes not-so-well-understood molecular mechanisms involving elaborate electron movements.

The synthetic explanation of this topic in the Britannica encyclopedia is no less than 10,000 words.

Scientists studying it have to deal with rather more complex schematics to start having just an overview of photosynthesis:

Fonte: Lumen Learning

While mostly used in nature to create carbohydrates, photosynthesis could, in theory, be used for many other applications using light as an energy source, such as, for example, the synthesis of hydrogen out of water (photocatalysis).

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

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.

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?

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.

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

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.

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 – PhD Student at Basel University

Perché Questa Molecola è un Passo Chiave in Avanti

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.

“Abbiamo identificato e implementato un pezzo importante del puzzle.

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

Pr. Oliver Wenger – Basel University

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.

Swipe to scroll →

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 -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}