Ny molekyl gör artificiell fotosyntes närmare verkligheten

Ersätta naturlig fotosyntes

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

Direkt eller indirekt har en enorm del av den energi vi använder producerats genom fotosyntes.

Detta gäller naturligtvis kalorierna som driver våra kroppar, men i slutändan även fossila bränslen, som bara är “lagrad” fotosyntes från växter som dog för evigheter sedan.

Så har många insatser för att göra vårt energi- och livsmedelssystem grönare ägnats åt antingen att förbättra naturlig fotosyntes eller utnyttja den för nya användningsområden, som att skapa biobränslen från alger.

Att bygga den i skala kan visa sig avgörande för att begränsa den ökande CO₂‑koncentrationen i atmosfären.

Men vad om vi kunde efterlikna fotosyntesprocessen utan att behöva hantera levande organismer? Det är trots allt en elektrokemisk process som inte nödvändigtvis kräver levande celler för att ske. Detta är löftet med den så kallade “artificiella fotosyntesen”.

Det skulle höja vår förmåga att fånga solens energi ett steg över fotovoltaisk, som bara kan skapa elektricitet från solljus, men inte direkt påverka kemiska reaktioner.

Viss framsteg har gjorts, väldigt särskilt mot väteproduktion liknande fotosyntes, men mer arbete behövs för en närmare kopia.

Hur fotosyntes fungerar i naturen

I växter är fotosyntesen, grovt sagt, i sin enklaste form. Processen att ta upp CO₂ och vatten, använda ljus som energikälla och producera kolhydrater och syre.

Källa: Britannica

Vid första anblicken verkar det som att detta kan reduceras till en mycket enkel kemisk ekvation och lätt kan replikeras artificiellt.

Källa: Britannica

Det är en annan historia när man ser hur det faktiskt görs.

Växtfotosyntes är faktiskt en av de mest komplexa biokemiska maskinerierna, med dussintals mellanreaktioner, en myriad av delkomponenter och ibland inte så väl förstådda molekylära mekanismer som involverar invecklade elektronrörelser.

Den syntetiska förklaringen av detta ämne i Britannica‑encyklopedin är inte mindre än 10 000 ord.

Forskare som studerar den måste hantera ganska mer komplexa scheman för att börja få en översikt över fotosyntesen:

Källa: Lumen Learning

Även om den mestadels används i naturen för att skapa kolhydrater, skulle fotosyntes i teorin kunna användas för många andra tillämpningar med ljus som energikälla, såsom till exempel syntes av väte från vatten (fotokatalys).

En liknande process med ljusinducerad elektron- och jonrörelse kan också användas för att skapa sockerarter artificiellt. Detta är idén som tre forskare vid Universitetet i Basel (Schweiz) arbetar med. De publicerade nyligen i Nature Chemistry¹ sina resultat om en ny molekyl som kan användas för artificiell fotosyntes, med titeln “Photoinduced double charge accumulation in a molecular compound”.

Bygga artificiellt klorofyll

Mångladningsmolekyler

Naturlig fotosyntes bygger på en serie elektrokemiska reaktioner. Som ett resultat kräver den ett så kallat laddningsseparerat tillstånd (CSS), där en molekyl samtidigt bär en positiv och en negativ laddning.

Viktigt är att bränslebildande reaktioner kräver flera elektroner, inte bara en, vilket hittills har varit det bästa som artificiella fotosyntessystem kunnat uppnå.

För reduktion av CO₂ i synnerhet verkar fler‑elektronöverföring vara avgörande, vilket också förklarar varför de flesta artificiella fotosynteslösningarna hittills har fokuserat på väteproduktion istället.

Det är här den schweiziska forskarnas upptäckt förändrar saker, med skapandet av en speciell molekyl som kan generera och lagra fyra laddningar samtidigt under ljusbestrålning – två positiva och två negativa.

Källa: Nature

Hur fungerar den?

Molekylen innehåller en central del som är ljuskänslig och genererar en elektronrörelse som svar. Forskarna använde ett sekventiellt tillvägagångssätt med två ljusblixtar.

Den första ljusblixten träffar molekylen och utlöser en reaktion där en positiv och en negativ laddning genereras och rör sig mot motsatt ände av molekylen.

Med den andra ljusblixten sker samma reaktion igen, så att molekylen då innehåller två positiva och två negativa laddningar.

Källa: Nature

Förbättrad ljuskänslighet

Det sekventiella steget, med ljus i en tvåstegsprocess, är inte bara viktigt för att ackumulera en dubbel elektrisk laddning på varje ände av molekylen, utan också för att minska den energi som krävs för varje steg, vilket gör att den kan fungera vid lägre ljusintensitet än tidigare.

Källa: Nature

“Som ett resultat närmar vi oss redan solens intensitet.

Tidigare forskning krävde extremt stark laserljus, vilket var långt ifrån visionen om artificiell fotosyntes.

Mathis Brändlin – PhD Student at Basel University

Varför denna molekyl är ett viktigt steg framåt

En annan egenskap hos denna nya molekyl är att den behåller sin laddning under en tillräckligt lång tid för att kunna driva ytterligare kemiska reaktioner, vilket är ett måste för alla kompletta artificiella fotosyntessystem.

“Vi har identifierat och implementerat en viktig del av pusslet.

Vi hoppas att detta kommer att hjälpa oss att bidra till nya möjligheter för en hållbar energiframtid.

Pr. Oliver Wenger – Basel University

Med 120 mikrosekunders laddningsretention (tusen till en miljon gånger bättre än tidigare) bör detta vara tillräckligt för kemiska reaktioner, även om den ideala varaktigheten skulle mätas i sekunder.

Så jämfört med enkel‑laddnings‑ eller endast en typ av laddning, fotosensitiva molekyler som testats i tidigare experiment, är detta den mest lovande molekylen för att utveckla artificiell fotosyntes hittills.

Ytterligare justeringar av designen kan förbättra dess förmåga att fungera i naturlig ljusintensitet eller att behålla de elektriska laddningarna ännu längre.

Den andra nyckeldelen i en artificiell fotosyntesprocess som ännu måste designas är ett pigment med högenergi‑exciterade tillstånd, samt lämpliga katalysatorer för att tillhandahålla tillräcklig redox‑kraft för vattensplittring eller CO₂‑reduktion.

Swipe to scroll →

Investera i hållbar innovation

DuPont

DuPont är ett enormt kemiföretag med många viktiga varumärkta kemikalier, såsom Kevlar, Styrofoam, Nomex (brandsskydd), Great Stuff (byggadhesiv) osv. Dess avancerade polymerforskning och skyddsmaterialvarumärken kan placera dem för att dra nytta av dubbel‑nätverk‑metamaterialteknologier.

DuPont är ett gammalt företag med en komplex historia av förvärv och, på senare tid, en serie av avknoppningar.

Källa: DuPont

Dessa avknoppningar har separerat från DuPont avdelningarna för nutrition och biovetenskap, delvis sålda till Corteva Biosciences (CTVA -0,95 %), titanprodukter för att bilda Chemours Company (CC )  (CC -1,05 %), samt mobilitet.

Det kommer också att separera från sin elektronik‑kemikalieverksamhet i november 2025, men behålla vattensegmentet (membran och filter för vattenrening och avsaltning), i motsats till tidigare planer.

Källa: DuPont

Detta kommer att göra DuPont till ett mycket mer fokuserat företag, med kärnverksamhet inom avancerade polymerer för vattenrening och skyddsutrustning, samt avancerade material för flygindustrin, sjukvården och elfordon.

Källa: DuPont

DuPont är ett verkligt internationellt företag, med hög efterfrågan på specialkemikalier inom vattenrening och industriell tillverkning.

De sektorer som DuPonts kemikalier betjänar är också mycket varierade, inklusive byggnation, vattenrening, elektronikindustrin, bilindustrin, flygindustrin, sjukvård, grön energi och industriell produktion.

Källa: DuPont

När det gäller artificiell fotosyntes arbetar kemiföretaget med teknologin genom partnerskap med akademin, särskilt med Penn University.

“Målet med denna samarbetsforskning är att utveckla ett brett tillämpbart beräkningsprotokoll … för att påskynda urvalet av fotoaktiva material som effektivt kan dela vatten i väte och syre.”

DuPonts starka närvaro inom skyddsutrustning och den etablerade positionen med Kevlar‑varumärket, ett högpresterande polymer, bör hjälpa dem att anpassa nya former av metamaterial till kommersiella produkter. Dess närvaro inom grön energi bör också hjälpa till att kommersialisera kemikalier för den eventuala kommersiella processen för artificiell fotosyntes.

I vilket fall som helst, i takt med att nya teknologier växer, liksom vattenförbrukningen, ökar också efterfrågan på de avancerade kemikalier som DuPont producerar.

Senaste Dupont (DD) aktienyheter och utvecklingar

Refererad studie

^{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}