به گزارش زیستنا به نقل از SciTechDaily، انسان طی دو قرن گذشته برای انرژی به سوخت‌های فسیلی اتکا داشته است. جامعه ما از مواد سهل‌الوصول و سرشار انرژی حاصل از صدها میلیون سال فتوسنتز بهره برده است. بااین‌حال، این منبع پایان می‌پذیرد و از سوی دیگر مصرف سوخت‌های فسیلی تأثیر منفی عظیمی بر آب‌وهوای زمین دارد.
ونبین لین (Wenbin Lin)، شیمیدان دانشگاه شیکاگو گفت: «بزرگ‌ترین چالشی که بسیاری از مردم باور نمی‌کنند آن است که حتی طبیعت هم هیچ راه‌حلی برای میزان انرژی مصرفی ما ندارد.» حتی فتوسنتز هم آن‌قدر خوب نیست، وی افزود: «ما باید بهتر از طبیعت کار کنیم و این هراس‌آور است.»
«فتوسنتز مصنوعی» یکی از گزینه‌های احتمالی است که دانشمندان در حال کاوش آن هستند. این مستلزم بازنگری سیستم گیاه با هدف تولید سوخت‌های ما است. بااین‌وجود، تجهیزات شیمیایی در یک برگ بسیار پیچیده هستند و به‌راحتی نمی‌توان آن‌ها را برای اهداف خودمان تغییر دهیم.
اکنون سامانه ابتکاری جدیدی برای فتوسنتز مصنوعی ارائه شده است که ۱۰ برابر بهره‌وری بیشتری نسبت به سامانه‌های مصنوعی پیشین دارد. گزارش ایجاد این سامانه را شش شیمیدان دانشگاه شیکاگو در مقاله‌ای در ژورنال Nature Catalysis ارائه کرده‌اند. فتوسنتز معمولی از دی‌اکسید کربن و آب، کربوهیدرات‌ها را تولید می‌کند؛ اما فتوسنتز مصنوعی از دی‌اکسید کربن و آب می‌تواند اتانول، متان یا سایر سوخت‌ها را تولید کند.
البته این روش هنوز راه درازی در پیش دارد تا بتواند سوخت مصرفی روزانه خودروی شما را تولید کند؛ اما این روش، مسیر کاوش جدیدی را در پیش روی دانشمندان قرار می‌دهد. علاوه بر این، ممکن است در زمانی کوتاه‌تر برای تولید سایر مواد شیمیایی مفید باشد.
دکتر لین استاد شیمی در دانشگاه شیکاگو و نویسنده ارشد این مطالعه گفت: «این پیشرفت بزرگی در سامانه‌های موجود است، اما به همان اندازه اهمیت دارد که ما توانستیم شناخت بسیار روشنی از چگونگی عملکرد این سیستم مصنوعی در سطح مولکولی ارائه دهیم که پیش‌ازاین انجام نشده بود.»
«ما به چیز دیگری نیاز خواهیم داشت»
لین اظهار داشت: «بدون فتوسنتز طبیعی، ما اینجا نبودیم. فتوسنتز اکسیژنی را که ما روی زمین تنفس می‌کنیم و غذایی را که می‌خوریم می‌سازد.» وی ادامه داد: «اما هیچ‌گاه آن‌قدر کارآمد نخواهد بود که سوخت را برای راندن خودروهای ما تأمین کند؛ بنابراین ما به چیز دیگری نیاز خواهیم داشت.»
مشکل اینجاست که فتوسنتز برای تولید کربوهیدرات‌ها ساخته شده است که برای سوخت بدن ما عالی هستند، اما این سوخت برای خودروهای ما مناسب نیست چراکه این دستگاه‌ها به انرژی بسیار فشرده‌تری نیاز دارند. به همین دلیل پژوهشگرانی که به دنبال ایجاد جایگزینی برای سوخت‌های فسیلی هستند، باید این فرآیند را بازمهندسی کنند تا سوخت‌های با انرژی متمرکزتری مانند اتانول یا متان ایجاد کنند.
در طبیعت، چندین کمپلکس بسیار پیچیده از پروتئین‌ها و رنگ‌دانه‌ها فتوسنتز را انجام می‌دهند. این کمپلکس‌ها، آب و دی‌اکسید کربن را جذب می‌کنند، مولکول‌ها را تجزیه می‌کنند و اتم‌ها را بازآرایی می‌کنند تا کربوهیدرات‌ها را بسازند که ترکیباتی متشکل از زنجیره بلندی از هیدروژن، اکسیژن و کربن هستند. حال دانشمندان باید واکنش‌ها را به‌گونه‌ای بازسازی کنند تا به‌جای آن آرایش متفاوتی را ایجاد کنند که در آن هیدروژن‌ها هسته کربنی را احاطه کرده‌اند و مولکول CH۴ تولید می‌کنند که به نام متان نیز شناخته می‌شود.
این بازمهندسی بسیار پیچیده‌تر از آن چیزی است که به نظر می‌رسد. افراد ده‌ها سال است که مشغول آن هستند و تلاش می‌کنند به بازدهی طبیعت نزدیک‌تر شوند.
دکتر لین و گروه آزمایشگاهی‌اش فکر کردند که می‌توان به سامانه‌های فتوسنتز مصنوعی چیزی اضافه کنند که آن‌ها تا به امروز فاقد آن بوده‌اند و آن آمینواسیدها بود.
«بزرگ‌ترین چالشی که بسیاری از مردم باور نمی‌کنند آن است که حتی طبیعت هم هیچ راه‌حلی برای میزان انرژی مصرفی ما ندارد.»
پروفسور ونبین لین (Wenbin Lin)
این گروه کار را با نوعی ماده به نام چارچوب فلزی-آلی (Metal-Organic Framework) یا به‌اختصار MOF آغاز کرد. این نوع مواد دسته‌ای از ترکیبات متشکل از یون‌های فلزی هستند که به‌وسیله مولکول‌های پیونددهنده آلی به هم متصل می‌شوند. سپس آن‌ها MOFها را به‌صورت تک لایه‌ای طراحی کردند تا بیشترین میزان سطح را برای واکنش‌های شیمیایی فراهم کنند و همه‌چیز را در محلولی فرو کردند که شامل ترکیبی از کبالت برای انتقال الکترون‌ها به اطراف بود. در نهایت، آن‌ها آمینواسیدهایی را به MOFها اضافه کردند و آزمایش کردند تا دریابند کدام‌یک بهترین عملکرد را داشته است.
آن‌ها توانستند هر دو نیمه واکنش را بهبود بخشند: فرایندی که آب را از هم جدا می‌کند و فرایند دیگری که الکترون‌ها و پروتون‌ها را به دی‌اکسید کربن اضافه می‌کند. در هر دو مورد، آمینواسیدها کمک کردند تا واکنش کارآمدتر انجام شود.
بااین‌حال، حتی با این عملکرد که به‌طور قابل‌توجه بهبود یافته است، فتوسنتز مصنوعی راه درازی در پیش دارد تا به‌جایی برسد که بتواند سوخت کافی برای استفاده گسترده تولید کند. دکتر لین گفت: «در جایی که اکنون هستیم، لازم است تا مقیاس کار چندین ده برابر شود تا بتوان میزان کافی متان برای مصرف خود کرد.»
این پیشرفت می‌تواند در مورد واکنش‌های شیمیایی دیگر نیز به‌طور گسترده‌ای اعمال شود. در مورد سوخت برای اینکه اهمیت این روش مشخص شود باید مقدار بسیاری سوخت تولید کرد، اما مقادیر بسیار کمتری از برخی مولکول‌ها، مانند مواد اولیه برای ساخت مواد دارویی و نایلون‌ها و موارد دیگر می‌تواند بسیار مفید باشد.
لین گفت: «بسیاری از این فرایندهای اساسی یکسان هستند.» او افزود: «اگر شیمی خوبی ایجاد کنید، آن را می‌توان به بسیاری از سامانه‌ها ملحق کرد.»
منبع: SciTechDaily
Journal Reference:
Lan, Guangxu, Yingjie Fan, Wenjie Shi, Eric You, Samuel S. Veroneau, and Wenbin Lin. “Biomimetic Active Sites on Monolayered Metal–Organic Frameworks for Artificial Photosynthesis.” Nature Catalysis ۵, no. 11 (November 10, 2022): 1006–۱۸. https://doi.org/10.1038/s41929-022-00865-5.