Топливная энергетика, ежедневно сжигающая тонны органических материалов, разрушает то, что природа создавала годами. В основе и того и другого процесса лежит превращение энергии. В первом случае – химических связей в тепло, а потом и в электричество. Альтернативные методы позволяют «пускать по проводам» силу ветра, волнение мирового океана и даже тепло гейзеров и вулканов.
Уже миллиарды лет назад природа достигла гораздо большего, создав зелёные растения. И хотя с помощью многочисленных уловок человечество научилось достаточно эффективно использовать силу солнечного света, до фотосинтеза нам ещё далеко. Сяньфу Чжан и его коллеги сделали еще один шаг на пути к искусственному фотосинтезу. Как водится в альтернативной энергетике последних лет, без нановещества не обошлось.
В отличие от своих предшественников, использовавших наноструктуры для катализа или запасания водорода,
Чжан предложил углеродные нанотрубки для сохранения электронов.
процесс образования органического вещества из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий). В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция — совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных эндэргонических реакциях, в том числе превращения углекислого газа в органические вещества.
Различают оксигенный и аноксигенный типы фотосинтеза. Оксигенный гораздо более широко распространён, его осуществляют растения, цианобактерии и прохлорофиты.
Выделяют три этапа фотосинтеза: фотофизический, фотохимический и химический. На первом этапе происходит поглощение квантов света пигментами, их переход в возбуждённое состояние и передача энергии к другим молекулам фотосистемы. На втором этапе происходит разделение зарядов в реакционном центре, перенос электронов по фотосинтетической электронотранспортной цепи, что заканчивается синтезом АТФ и НАДФН. Первые два этапа вместе называют светозависимой стадией фотосинтеза. Третий этап происходит уже без обязательного участия света и включает в себя биохимические реакции синтеза органических веществ с использованием энергии, накопленной на светозависимой стадии. Чаще всего в качестве таких реакций рассматривается цикл Кальвина и глюконеогенез, образование сахаров и крахмала из углекислого газа воздуха.
Первые процессы фотосинтеза у цианобактерий появились ещё в архейскую эру.
Для искусственного фотосинтеза необходима система, способная поглощать кванты видимого света и одновременно высвобождать несколько электронов, а кроме того содержащая приемник, способный сохранять упомянутую элементарную частицу. Именно поэтому проблему было тяжело решить до сегодняшнего дня – существовали системы, способные выделять и сохранять только один электрон единовременно.
Углеродная нанотрубка запасает один электрон на каждые 32 атома углерода. Хотя это число кажется не таким большим, даже короткая нанотрубка обладает достаточными возможностями для хранения. В качестве молекул, поглощающих свет и выделяющих электрон, учёные выбрали фталоцианины – пигменты, хорошо образующие комплексы с другими веществами.
Каждая молекула пигмента способна выделить только один электрон, зато длина нанотрубки в 1 микрометр позволила ковалентно присоединить целых 120 фталоцианинов.
«Запасник» оказался слабей «приемника» – только 25% электронов поместились в углеродном скелете.
«Пока мы использовали эту систему для эффективной трансформации солнечной энергии в электричество», — отметил Чжан в интервью New Scientist. Но уже скоро они планируют использовать свою наноразработку в качестве ключевого компонента для искусственного фотосинтеза.
По крайней мере первый шаг уже сделан – энергия Солнца запасена. Осталось только научиться превращать её в органические вещества – например, углеводороды. А то, что при этом связывается углекислый газ, безусловно, делает эти исследования весьма актуальными: создав такую систему, человечество получит шанс повернуть историю, последние столетия которой были наполнены безудержными выбросами CO2 в атмосферу, вспять. И хотя о восстановлении запасов нефти, газа и каменного угля пока никто не говорит, утилизация углекислого газа из атмосферы станет достойным дополнением экологически чистому электричеству.
Коллеги уже успели высоко оценить находку Чжана. «Многие исследователи, работающие в этой области, не уделяют внимания основной проблеме – тому, что для фотосинтеза одновременно необходимо много электронов… Я думаю, что учёные поступили очень правильно, сделав это своей основной задачей», — подытожил один из ведущих специалистов по фотосинтезу, Джеймс Барбер из Имперского колледжа Лондона.
