I chimici creano un sistema di "fotosintesi artificiale" che è 10 volte più efficiente dei sistemi esistenti

Di Louise Lerner

10 novembre 2022

Negli ultimi due secoli, gli esseri umani hanno fatto affidamento sui combustibili fossili per ottenere energia concentrata; centinaia di milioni di anni di fotosintesi racchiusi in una sostanza conveniente e ad alta densità energetica. Ma tale offerta è limitata e il consumo di combustibili fossili ha un enorme impatto negativo sul clima della Terra.

"La sfida più grande di cui molte persone non si rendono conto è che nemmeno la natura ha una soluzione per la quantità di energia che utilizziamo", ha affermato Wenbin Lin, chimico dell'Università di Chicago. Nemmeno la fotosintesi è così buona, ha detto: "Dovremo fare meglio della natura, e questo è spaventoso".

Una possibile opzione che gli scienziati stanno esplorando è la “fotosintesi artificiale”, ovvero la rielaborazione del sistema di una pianta per produrre i nostri tipi di combustibili. Tuttavia, l’attrezzatura chimica di una singola foglia è incredibilmente complessa e non così facile da sfruttare per i nostri scopi.

Uno studio sulla catalisi naturale condotto da sei chimici dell’Università di Chicago mostra un nuovo sistema innovativo per la fotosintesi artificiale che è più produttivo rispetto ai precedenti sistemi artificiali di un ordine di grandezza. A differenza della normale fotosintesi, che produce carboidrati da anidride carbonica e acqua, la fotosintesi artificiale potrebbe produrre etanolo, metano o altri combustibili.

Anche se c’è ancora molta strada da fare prima che possa diventare un modo per alimentare la tua auto ogni giorno, il metodo offre agli scienziati una nuova direzione da esplorare e potrebbe essere utile a breve termine per la produzione di altre sostanze chimiche.

"Si tratta di un enorme miglioramento rispetto ai sistemi esistenti, ma, cosa altrettanto importante, siamo riusciti a comprendere molto chiaramente come funziona questo sistema artificiale a livello molecolare, cosa che non era mai stata realizzata prima", ha affermato Lin, che è il responsabile James Franck Professore di Chimica presso l'Università di Chicago e autore senior dello studio.

"Senza la fotosintesi naturale, non saremmo qui. Ha prodotto l'ossigeno che respiriamo sulla Terra e produce il cibo che mangiamo", ha detto Lin. "Ma non sarà mai abbastanza efficiente da fornirci il carburante per guidare le auto; quindi avremo bisogno di qualcos'altro."

Il problema è che la fotosintesi è costruita per creare carboidrati, che sono ottimi per rifornirci di carburante, ma non per le nostre auto, che necessitano di energia molto più concentrata. Pertanto i ricercatori che cercano di creare alternative ai combustibili fossili devono riprogettare il processo per creare combustibili con una maggiore densità energetica, come l’etanolo o il metano.

In natura, la fotosintesi viene eseguita da numerosi insiemi molto complessi di proteine ​​e pigmenti. Assorbono acqua e anidride carbonica, rompono le molecole e riorganizzano gli atomi per produrre carboidrati, una lunga serie di composti idrogeno-ossigeno-carbonio. Gli scienziati, tuttavia, devono rielaborare le reazioni per produrre invece una disposizione diversa, con solo l’idrogeno che circonda un succoso nucleo di carbonio: il CH4, noto anche come metano.

Questa riprogettazione è molto più complicata di quanto sembri; le persone ci armeggiano da decenni, cercando di avvicinarsi all’efficienza della natura.

Lin e il suo team di laboratorio hanno pensato di provare ad aggiungere qualcosa che i sistemi di fotosintesi artificiale fino ad oggi non hanno incluso: gli amminoacidi.

Il team ha iniziato con un tipo di materiale chiamato struttura metallo-organica o MOF, una classe di composti costituiti da ioni metallici tenuti insieme da molecole di collegamento organico. Quindi hanno progettato i MOF come un singolo strato, al fine di fornire la massima area superficiale per le reazioni chimiche, e hanno immerso il tutto in una soluzione che includeva un composto di cobalto per trasportare gli elettroni. Infine, hanno aggiunto amminoacidi ai MOF e hanno sperimentato per scoprire quale funzionava meglio.

Sono stati in grado di apportare miglioramenti a entrambe le metà della reazione: il processo che rompe l’acqua e quello che aggiunge elettroni e protoni all’anidride carbonica. In entrambi i casi, gli amminoacidi hanno aiutato la reazione a procedere in modo più efficiente.