В течение последних двух столетий люди полагались на ископаемое топливо для получения концентрированной энергии; сотни миллионов лет фотосинтеза упакованы в удобное, энергоемкое вещество. Но этот запас ограничен, а потребление ископаемого топлива оказывает огромное негативное влияние на климат Земли.

«Самая большая проблема, которую многие люди не осознают, заключается в том, что даже у природы нет решения для количества энергии, которое мы используем», — сказал химик из Чикагского университета Венбин Лин. Он сказал, что даже фотосинтез не так хорош: «Мы должны добиться большего, чем природа, и это страшно».

Один из возможных вариантов, который изучают ученые, — это « искусственный фотосинтез » — переработка системы растений для производства собственных видов топлива. Однако химическое оборудование в одном листе невероятно сложное, и его не так-то просто использовать для своих целей.

Исследование Nature Catalysis, проведенное шестью химиками из Чикагского университета, демонстрирует новую инновационную систему искусственного фотосинтеза, которая на порядок более продуктивна, чем предыдущие искусственные системы. В отличие от обычного фотосинтеза, который производит углеводы из углекислого газа и воды, искусственный фотосинтез может производить этанол, метан или другие виды топлива.

Хотя предстоит пройти долгий путь, прежде чем вы сможете ежедневно заправлять свой автомобиль, этот метод дает ученым новое направление для исследований и может быть полезен в краткосрочной перспективе для производства других химических веществ.

«Это огромное улучшение по сравнению с существующими системами, но не менее важно то, что мы смогли очень четко понять, как эта искусственная система работает на молекулярном уровне , чего раньше не было», — сказал Лин, который является Джеймс Франк, профессор химии Чикагского университета и старший автор исследования.

«Нам понадобится что-то еще»

«Без естественного фотосинтеза нас бы здесь не было. Он производил кислород, которым мы дышим на Земле, и пищу, которую мы едим», — сказал Лин. «Но он никогда не будет достаточно эффективным, чтобы снабжать нас топливом для вождения автомобилей, поэтому нам понадобится что-то еще».

Проблема в том, что фотосинтез создан для создания углеводов, которые отлично подходят для нас, но не для наших автомобилей, которым требуется гораздо более концентрированная энергия. Таким образом, исследователи, стремящиеся создать альтернативу ископаемому топливу , должны перестроить процесс для создания более энергоемких видов топлива, таких как этанол или метан.

В природе фотосинтез осуществляется несколькими очень сложными комплексами белков и пигментов. Они поглощают воду и углекислый газ, расщепляют молекулы и перестраивают атомы, образуя углеводы — длинную цепочку соединений водорода, кислорода и углерода. Ученым, однако, необходимо переработать реакции, чтобы вместо этого получить другую схему, в которой только водород окружает сочное углеродное ядро ​​— CH ₄ , также известный как метан.

Этот реинжиниринг гораздо сложнее, чем кажется; люди возятся с ним десятилетиями, пытаясь приблизиться к эффективности природы.

Лин и его команда лаборатории подумали, что они могли бы попробовать добавить что-то, чего до сих пор не было в системах искусственного фотосинтеза: аминокислоты.

Команда начала с типа материала, называемого металлоорганическим каркасом или MOF, класса соединений, состоящих из ионов металлов, удерживаемых вместе органическими связующими молекулами. Затем они разработали MOF в виде одного слоя, чтобы обеспечить максимальную площадь поверхности для химических реакций, и погрузили все в раствор, который включал соединение кобальта для переноса электронов. Наконец, они добавили аминокислоты к MOF и экспериментировали, чтобы выяснить, какие из них работают лучше всего.

Они смогли улучшить обе части реакции: процесс, который расщепляет воду, и тот, который добавляет электроны и протоны к углекислому газу. В обоих случаях аминокислоты помогли реакции пройти более эффективно.

Однако даже при значительно улучшенных характеристиках искусственному фотосинтезу предстоит пройти долгий путь, прежде чем он сможет производить достаточно топлива, чтобы его можно было широко использовать. «Там, где мы находимся сейчас, потребуется масштабирование на много порядков, чтобы производить достаточное количество метана для нашего потребления», — сказал Лин.

Открытие может быть также широко применено к другим химическим реакциям ; вам нужно производить много топлива, чтобы оно имело эффект, но гораздо меньшие количества некоторых молекул, таких как исходные материалы для производства фармацевтических препаратов и нейлона, среди прочего, могут быть очень полезными.

«Очень многие из этих фундаментальных процессов одинаковы», — сказал Лин. «Если вы разработаете хорошие химические реакции, их можно будет подключить ко многим системам».