"فتوسنتز مصنوعی" متان را با بازده ۱۰ برابر تولید می‌کند

به گزارش گروه دانش و فناوری خبرگزاری آنا به نقل از (سای تک دیلی)، پیشرفت دانشگاه شیکاگو سوخت متان را از خورشید، دی اکسید کربن و آب ایجاد می‌کند.

انسان‌ها در دو قرن گذشته برای انرژی متمرکز به سوخت‌های فسیلی متکی بوده اند. جامعه ما از مواد راحت و پرانرژی مملو از عواید حاصل از صد‌ها میلیون سال فتوسنتز استفاده کرده است. با این حال، این عرضه محدود است و مصرف سوخت فسیلی تأثیر منفی زیادی بر آب و هوای زمین دارد.

ونبین لین، شیمیدان دانشگاه شیکاگو، می‌گوید: بزرگترین چالشی که بسیاری از مردم متوجه نمی‌شوند این است که حتی طبیعت نیز هیچ راه حلی برای میزان انرژی مصرفی ما ندارد. حتی فتوسنتز هم آنقدر خوب نیست، او گفت: ما باید بهتر از طبیعت کار کنیم و این ترسناک است.

"فتوسنتز مصنوعی" یکی از گزینه‌های احتمالی است که دانشمندان در حال بررسی هستند. این مستلزم کار مجدد سیستم یک کارخانه برای تولید انواع سوخت‌های خودمان است. با این حال، تجهیزات شیمیایی موجود در یک برگ بسیار پیچیده است و به راحتی نمی‌توان به اهداف خود روی آورد.

در حال حاضر، یک سیستم ابتکاری جدید برای فتوسنتز مصنوعی که نسبت به سیستم‌های مصنوعی قبلی نسبت به سیستم‌های مصنوعی قبلی کارآمدتر است. برخلاف فتوسنتز معمولی که کربوهیدرات‌ها را از دی اکسید کربن و آب تولید می‌کند، فتوسنتز مصنوعی می‌تواند اتانول، متان یا سوخت‌های دیگر تولید کند.

اگرچه هنوز راه درازی در پیش دارد تا بتواند به وسیله‌ای برای سوخت رسانی روزانه به خودروی شما تبدیل شود، این روش به دانشمندان مسیر جدیدی برای کاوش می‌دهد. به علاوه، در کوتاه مدت، ممکن است برای تولید سایر مواد شیمیایی مفید باشد.

جیمز فرانک لین، استاد شیمی در دانشگاه شیکاگو و نویسنده ارشد این مطالعه گفت: این یک پیشرفت بزرگ در سیستم‌های موجود است، اما به همان اندازه مهم، ما توانستیم درک بسیار روشنی از نحوه عملکرد این سیستم مصنوعی در سطح مولکولی ارائه دهیم، چیزی که قبلاً انجام نشده بود.

ما به چیز دیگری نیاز خواهیم داشت

بدون فتوسنتز طبیعی، ما اینجا نبودیم. لین می‌گوید که اکسیژنی را که روی زمین تنفس می‌کنیم و غذایی که می‌خوریم را می‌سازد. اما هرگز به اندازه کافی کارآمد نخواهد بود که سوخت را برای ما برای رانندگی ماشین تامین کند؛ بنابراین ما به چیز دیگری نیاز خواهیم داشت.

مشکل اینجاست که فتوسنتز برای ایجاد کربوهیدرات‌هایی ساخته شده است که برای سوخت‌رسانی به ما عالی هستند، اما نه خودرو‌های ما، که به انرژی بسیار متمرکزتری نیاز دارند؛ بنابراین محققانی که به دنبال ایجاد جایگزینی برای سوخت‌های فسیلی هستند، باید این فرآیند را دوباره مهندسی کنند تا سوخت‌های با انرژی بیشتری مانند اتانول یا متان ایجاد کنند.

در طبیعت، فتوسنتز توسط چندین مجموعه بسیار پیچیده از پروتئین‌ها و رنگدانه‌ها انجام می‌شود. آن‌ها آب و دی اکسید کربن را جذب می‌کنند، مولکول‌ها را از هم جدا می‌کنند و اتم‌ها را دوباره مرتب می‌کنند تا کربوهیدرات‌ها را بسازند – رشته‌ای طولانی از ترکیبات هیدروژن-اکسیژن-کربن. با این حال، دانشمندان باید واکنش‌ها را دوباره کار کنند تا در عوض، آرایش متفاوتی را با هیدروژنی که هسته‌ی آبدار کربن را احاطه می‌کند - CH۴ که به نام متان نیز شناخته می‌شود، تولید کنند.

این مهندسی مجدد بسیار پیچیده‌تر از آن چیزی است که به نظر می‌رسد. مردم ده‌ها سال است که با آن دست و پنجه نرم می‌کنند و سعی می‌کنند به کارایی طبیعت نزدیک‌تر شوند.

لین و تیم آزمایشگاهی‌اش فکر کردند که ممکن است چیزی اضافه کنند که سیستم‌های فتوسنتز مصنوعی تا به امروز شامل آن نشده‌اند: اسید‌های آمینه.

این تیم کار را با نوعی ماده به نام چارچوب فلزی-آلی یا MOF آغاز کرد، دسته‌ای از ترکیبات متشکل از یون‌های فلزی که توسط مولکول‌های پیوند دهنده آلی به هم متصل می‌شوند. سپس آن‌ها MOF‌ها را به صورت یک لایه طراحی کردند تا حداکثر سطح را برای واکنش‌های شیمیایی فراهم کنند و همه چیز را در محلولی غوطه ور کردند که شامل یک ترکیب کبالت برای انتقال الکترون‌ها به اطراف بود. در نهایت، آن‌ها اسید‌های آمینه را به MOF‌ها اضافه کردند و آزمایش کردند تا بفهمند کدامیک بهتر عمل می‌کند.

با این حال، حتی با عملکرد قابل توجه بهبود یافته، فتوسنتز مصنوعی راه درازی در پیش دارد تا بتواند سوخت کافی برای استفاده گسترده تولید کند. لین می‌گوید: در جایی که اکنون هستیم، برای تولید مقدار کافی متان برای مصرف خود، باید به مراتب بزرگتر شود.

این پیشرفت می‌تواند به طور گسترده‌ای برای سایر واکنش‌های شیمیایی نیز اعمال شود. برای تأثیرگذاری آن باید سوخت زیادی بسازید، اما مقادیر بسیار کمتری از برخی مولکول‌ها، مانند مواد اولیه برای ساخت دارو‌های دارویی و نایلون‌ها، از جمله، می‌تواند بسیار مفید باشد.

لین گفت: بسیاری از این فرآیند‌های اساسی یکسان هستند. اگر شیمی خوبی ایجاد کنید، می‌توان آن‌ها را به بسیاری از سیستم‌ها متصل کرد.

دانشمندان از منابع موجود در منبع فوتون پیشرفته، یک سینکروترون واقع در آزمایشگاه ملی آرگون وزارت انرژی ایالات متحده برای توصیف مواد استفاده کردند.