تعتبر عملية التمثيل الضوئي الجديدة “الاصطناعية” أكثر كفاءة بمقدار 10 مرات من المحاولات السابقة
يمكن لطريقة جديدة في التمثيل الضوئي الاصطناعي أن تجعل البشر أقرب إلى استخدام آلات النباتات لإنتاج الوقود.
النظام الجديد أكثر كفاءة بعشر مرات من النظام الاصطناعي السابق البناء الضوئي طُرق. بينما يسمح التمثيل الضوئي الطبيعي للنباتات بتحويل ثاني أكسيد الكربون (CO2) والماء إلى كربوهيدرات باستخدام طاقة الشمس ، يمكن للطريقة الاصطناعية تحويل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى وقود كثيف الطاقة مثل الميثان والإيثانول. يمكن أن يوفر هذا بديلاً للوقود الأحفوري المستخرج من الصخور القديمة.
“التحدي الأكبر الذي لا يدركه الكثير من الناس هو أنه حتى الطبيعة ليس لديها حل لكمية الطاقة التي نستخدمها ،” الكيميائي بجامعة شيكاغو وينبين لين ، أحد مؤلفي الدراسة الجديدة ، قال في بيان. بالرغم من أن التمثيل الضوئي الطبيعي كافٍ للنباتات لإطعام نفسها ، إلا أنه لا يفي بكمية الطاقة المطلوبة لتزويد منازلنا ومدننا ودولنا بالوقود. وقال “سيتعين علينا أن نفعل ما هو أفضل من الطبيعة ، وهذا مخيف”.
كان الباحثون يعملون على استعارة آلية التمثيل الضوئي لإنشاء المواد الكيميائية المرغوبة الخاصة بهم لسنوات ، لكن تعديل التركيب الضوئي لتلبية احتياجات الإنسان ليس بالأمر السهل. العملية معقدة وتنطوي على خطوتين: أولاً ، تفكيك الماء وثاني أكسيد الكربون ، وثانيًا ، إعادة توصيل الذرات إلى كربوهيدرات. كان على لين وفريقه إنشاء نظام ينتج بدلاً من ذلك الميثان ، أو CH4 ، وهو a كربون محاطة بأربعة جزيئات هيدروجين.
على الرغم من أن حرق هذا الميثان الاصطناعي لا يزال يؤدي إلى انبعاثات غازات الاحتباس الحراري ، يعمل الباحثون أيضًا على استخدامه التمثيل الضوئي الاصطناعي لصنع وقود الهيدروجين، التي تطلق بخار الماء والهواء الدافئ فقط.
متعلق ب: آثار الاحتباس الحراري
للقيام بذلك ، بدأوا بإطار معدني عضوي – شبكة مكونة من ذرات معدنية مشحونة مرتبطة بجزيئات عضوية. (تحتوي الجزيئات العضوية على الكربون.) قاموا بغمر طبقات مفردة من هذا الإطار المعدني العضوي في محلول من الكوبالت ؛ هذا العنصر جيد في التقاط الإلكترونات وتحريكها أثناء التفاعلات الكيميائية.
ثم فعل الباحثون شيئًا لم تتم تجربته من قبل. أضافوا الأحماض الأمينية ، اللبنات الجزيئية للبروتينات ، إلى المزيج. عززت هذه الأحماض الأمينية كفاءة كلا جانبي التفاعل ، حيث تكسر ثاني أكسيد الكربون والماء وأعادت بناءهما كميثان. أفاد الفريق في المجلة أن النظام الناتج كان أكثر كفاءة بعشر مرات من طرق التمثيل الضوئي الاصطناعي السابقة تحفيز الطبيعة (يفتح في علامة تبويب جديدة) في 10 نوفمبر.
ومع ذلك ، لا يزال هذا غير فعال بما يكفي لإنتاج ما يكفي من الميثان لاستخدام الوقود البشري.
وقال لين: “ما نحن فيه الآن ، سوف يحتاج إلى زيادة الطلب بعدة أوامر من حيث الحجم لإنتاج كمية كافية من الميثان لاستهلاكنا”. لكنه قال إن الفريق كان قادرًا على تحديد كيفية عمل النظام على المستوى الجزيئي ، والذي لم يتم فهمه بالكامل من قبل. يعد فهم العملية خطوة حاسمة قبل أن يتمكنوا من توسيع نطاق العملية.
إذا لم يكن النظام فعالًا حاليًا بما يكفي لتزويد السيارات بالوقود أو تدفئة المنازل ، فقد يكون ذلك ممكنًا بالفعل للاستخدامات الأخرى التي لا تتطلب مثل هذا الحجم الكبير من المنتجات. على سبيل المثال ، قال لين ، يمكن استخدام طريقة مماثلة لإنتاج المواد الكيميائية الأساسية للأدوية.
قال لين: “الكثير من هذه العمليات الأساسية هي نفسها. إذا طورت جيدًا الكيمياء، يمكن توصيلها بالعديد من الأنظمة “.
