Ny molekyl gjør kunstig fotosyntese nærmere virkeligheten

Erstatning av naturlig fotosyntese

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

Direkte eller indirekte er en enorm mengde av energien vi bruker produsert gjennom fotosyntese.

Dette er selvfølgelig sant for kaloriene som driver kroppene våre, men i siste ende også for fossile brensler, som bare er «lagret» fotosyntese fra planter som døde for milliarder av år siden.

Så har mange innsatsområder for å gjøre vårt energi- og matsystem grønnere blitt viet enten til å forbedre naturlig fotosyntese eller utnytte den for nye bruksområder, som å lage biodrivstoff fra alger.

Å bygge det i stor skala kan vise seg avgjørende for å begrense den økende CO2‑konsentrasjonen i atmosfæren.

Men hva om vi kunne etterligne fotosynteseprosessen uten å måtte håndtere levende organismer? Det er tross alt en elektro‑kjemisk prosess som ikke nødvendigvis krever levende celler for å foregå. Dette er løftet om såkalt «kunstig fotosyntese».

Det ville heve vår evne til å fange solens energi ett steg over fotovoltaikk, som kun kan «bare» lage elektrisitet fra sollys, men ikke påvirke kjemiske reaksjoner direkte.

Some progress has been made, notably toward photosynthesis-like hydrogen production, but more work is needed for a closer replica.

Hvordan fotosyntese fungerer i naturen

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.

Kilde: Britannica

Ved første øyekast ser det ut til at dette kan reduseres til en svært enkel kjemisk ligning og lett kan replikeres kunstig.

Kilde: Britannica

Det er en annen historie når du ser på hvordan det faktisk gjøres.

Plantefotosyntese er faktisk en av de mest komplekse biokjemiske maskinene, med dusinvis av mellomliggende reaksjoner, et mylder av underkomponenter, og noen ganger ikke så godt forståtte molekylære mekanismer som involverer omfattende elektronbevegelser.

Den syntetiske forklaringen av dette temaet i Britannica-encyklopedien er ikke mindre enn 10 000 ord.

Forskere som studerer det må håndtere ganske mer komplekse skjemaer for å få et overblikk over fotosyntesen:

Kilde: Lumen Learning

Selv om den hovedsakelig brukes i naturen til å lage karbohydrater, kan fotosyntese i teorien brukes til mange andre anvendelser ved å bruke lys som energikilde, for eksempel syntese av hydrogen fra vann (fotokatalyse).

En lignende prosess med lysindusert elektron- og ionebevegelse kan også brukes til å lage sukker kunstig. Dette er ideen som tre forskere ved Universitetet i Basel (Sveits) arbeider med. De publiserte nylig i Nature Chemistry¹ sine resultater om en ny molekyl som kan brukes til kunstig fotosyntese, med tittelen “Photoinduced double charge accumulation in a molecular compound”.

Bygging av kunstig klorofyll

Multiladningsmolekyler

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.

Naturlig fotosyntese er avhengig av en rekke elektro‑kjemiske reaksjoner. Som et resultat krever den en såkalt ladningsseparert tilstand (CSS), hvor en molekyl samtidig bærer en positiv og en negativ ladning.

Viktig er at drivstoffdannende reaksjoner krever flere elektroner, ikke bare én, noe som hittil har vært det beste kunstige fotosyntesesystemene har kunnet oppnå.

For reduksjon av CO2 spesielt ser overføring av flere elektroner ut til å være essensiell, noe som også forklarer hvorfor de fleste kunstige fotosynteseløsningene så langt har fokusert på hydrogenproduksjon i stedet.

Dette er hvor oppdagelsen av de sveitsiske forskerne endrer ting, med skapelsen av en spesiell molekyl som kan generere og lagre fire ladninger samtidig under lysirradasjon – to positive og to negative.

Kilde: Nature

Hvordan fungerer den?

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.

Molekylet inneholder en sentral del som er lysfølsom og genererer en elektronbevegelse som respons. Forskerne benyttet en sekvensiell tilnærming med to lysblinker.

Den første lysblinken treffer molekylet og utløser en reaksjon der en positiv og en negativ ladning genereres, og beveger seg mot motsatt ende av molekylet.

Med den andre lysblinken skjer den samme reaksjonen igjen, slik at molekylet da inneholder to positive og to negative ladninger.

Kilde: Nature

Forbedret lyssensitivitet

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.

Kilde: Nature

“Som et resultat er vi allerede på vei mot intensiteten av sollys.

Tidligere forskning krevde ekstremt sterkt laserlys, noe som var langt fra visjonen om kunstig fotosyntese.

Mathis Brändlin – PhD‑student ved Basel University

Hvorfor denne molekylen er et viktig steg fremover

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.

“Vi har identifisert og implementert et viktig brikke i puslespillet.

Vi håper dette vil hjelpe oss med å bidra til nye utsikter for en bærekraftig energifremtid.

Prof. Oliver Wenger – Basel University

Med 120 mikrosekunders ladningsretensjon (tusen til en million ganger bedre enn før), bør dette være nok for kjemiske reaksjoner, selv om den ideelle varigheten ville blitt målt i sekunder.

Så sammenlignet med enkeltladnings‑ eller kun én type ladning, fotosensitive molekyler som ble prøvd i tidligere eksperimenter, er dette den mest lovende molekylen for utvikling av kunstig fotosyntese så langt.

Ytterligere justeringer av designet kan forbedre evnen til å operere i naturlig lysintensitet eller å beholde de elektriske ladningene enda lenger.

Den andre nøkkelkomponenten i en kunstig fotosynteseprosess som ennå ikke er designet, er et pigment med høy‑energi eksiterte tilstander, samt egnede katalysatorer som gir tilstrekkelig redoks‑kraft for vannsplitting eller CO2‑reduksjon.

Swipe to scroll →

Investering i bærekraftig innovasjon

DuPont

DuPont er et enormt kjemikalieselskap med mange viktige merkede kjemikalier, som Kevlar, Styrofoam, Nomex (brannbeskyttelse), Great Stuff (konstruksjonslim), osv. Dets avanserte polymerforskning og beskyttelsesmaterialmerker kan posisjonere det til å dra nytte av dobbelt‑nett metamaterialteknologier.

DuPont er et gammelt selskap med en kompleks historie av oppkjøp, og, mer nylig, en rekke spin‑offs.

Kilde: DuPont

Disse spin‑offene har separert fra DuPont avdelingene for ernæring og biovitenskap, delvis solgt til Corteva Biosciences (CTVA -0.95%), titanprodukter for å danne Chemours Company (CC -1.05%), og mobilitet.

Den vil også skille seg fra sin elektroniske kjemikalievirksomhet i november 2025, men beholder vannsegmentet (membraner og filtre for vannrensing og avsalting), i motsetning til tidligere planer.

Kilde: DuPont

Dette vil etterlate DuPont som et mye mer fokusert selskap, med kjernevirksomhet innen avanserte polymerer for vannrensing og beskyttelsesutstyr, samt avanserte materialer for romfart, helsevesen og elektriske kjøretøy.

Kilde: DuPont

DuPont er et virkelig internasjonalt selskap, med høy etterspørsel etter spesialkjemikalier innen vannrensing og industriell produksjon.

Sektorene som betjenes av DuPonts kjemikalier er også svært varierte, inkludert bygg, vannrensing, elektronikkindustrien, bilindustri, romfart, helsevesen, grønn energi og industriell produksjon.

Kilde: DuPont

Når det gjelder kunstig fotosyntese, arbeider kjemikalieselskapet med teknologien gjennom partnerskap med akademia, spesielt med Penn University.

«Målet med dette samarbeidsforskningsprosjektet er å utvikle en bredt anvendelig beregningsprotokoll … for å akselerere utvelgelsen av fotoaktive materialer som effektivt kan splitte vann til hydrogen og oksygen.»

Den sterke tilstedeværelsen til DuPont innen beskyttelsesutstyr og den etablerte posisjonen med Kevlar‑merket, et høy‑ytelses polymer, bør hjelpe dem med å tilpasse nye former for metamaterialer til kommersielle produkter. Og deres tilstedeværelse i grønn energi bør bidra til å kommersialisere kjemikalier for den eventuale kunstige fotosyntese‑kommersialprosessen.

Uansett, etter hvert som nye teknologier vokser, og vannforbruket øker, gjør også etterspørselen etter de avanserte kjemikaliene produsert av DuPont det.

Siste DuPont (DD) aksjenyheter og utviklinger

Studie referert

^{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}