أظهرت دراسة أجراها ستة كيميائيين في جامعة شيكاغو نظامًا مبتكرًا جديدًا لعملية التمثيل الضوئي الاصطناعي أكثر إنتاجية من الأنظمة الاصطناعية السابقة من حيث الحجم. أعلاه ، توضيح فني للعملية.
على مدى القرنين الماضيين ، اعتمد البشر على الوقود الأحفوري لتركيز الطاقة. مئات الملايين من السنين من التمثيل الضوئي معبأة في مادة مريحة كثيفة الطاقة. لكن هذا العرض محدود ، واستهلاك الوقود الأحفوري له تأثير سلبي هائل على مناخ الأرض.
قال الكيميائي في جامعة شيكاغو وينبين لين: "التحدي الأكبر الذي لا يدركه كثير من الناس هو أنه حتى الطبيعة ليس لديها حل لكمية الطاقة التي نستخدمها". وقال حتى إن عملية التمثيل الضوئي ليست بهذه الجودة: "سيتعين علينا القيام بعمل أفضل من الطبيعة ، وهذا أمر مخيف".
أحد الخيارات الممكنة التي يستكشفها العلماء هو "التمثيل الضوئي الاصطناعي" - إعادة صياغة نظام النبات لصنع أنواع الوقود الخاصة بنا. ومع ذلك ، فإن المعدات الكيميائية الموجودة في ورقة واحدة معقدة بشكل لا يصدق ، وليس من السهل تحويلها إلى أغراضنا الخاصة.
أظهرت دراسة تحفيز الطبيعة أجراها ستة كيميائيين في جامعة شيكاغو نظامًا جديدًا مبتكرًا لعملية التمثيل الضوئي الاصطناعي أكثر إنتاجية من الأنظمة الاصطناعية السابقة من حيث الحجم. على عكس التمثيل الضوئي المنتظم ، الذي ينتج الكربوهيدرات من ثاني أكسيد الكربون والماء ، يمكن أن ينتج التمثيل الضوئي الاصطناعي الإيثانول أو الميثان أو أنواع الوقود الأخرى.
على الرغم من أنه لا يزال أمامها طريق طويل قبل أن تصبح وسيلة لتزويد سيارتك بالوقود كل يوم ، إلا أن هذه الطريقة تمنح العلماء اتجاهًا جديدًا للاستكشاف - وقد تكون مفيدة على المدى الأقصر لإنتاج مواد كيميائية أخرى.
"هذا تحسن كبير على الأنظمة الحالية ، ولكن بنفس الأهمية ، تمكنا من وضع فهم واضح للغاية لكيفية عمل هذا النظام الاصطناعي على المستوى الجزيئي ، وهو ما لم يتم إنجازه من قبل" ، قال لين ، وهو جيمس فرانك أستاذ الكيمياء بجامعة شيكاغو وكبير مؤلفي الدراسة.
قال لين: "بدون عملية التمثيل الضوئي الطبيعي ، لن نكون هنا. لقد صنع الأكسجين الذي نتنفسه على الأرض ويجعل الطعام الذي نأكله". "لكنها لن تكون فعالة بما يكفي لتزويدنا بالوقود لقيادة السيارات ؛ لذلك سنحتاج إلى شيء آخر."
تكمن المشكلة في أن عملية التمثيل الضوئي مبنية لتكوين الكربوهيدرات ، والتي تعتبر رائعة لتزويدنا بالوقود ، ولكن ليس سياراتنا ، التي تحتاج إلى المزيد من الطاقة المركزة. لذا يتعين على الباحثين الذين يتطلعون إلى إنشاء بدائل للوقود الأحفوري إعادة هندسة العملية لإنتاج المزيد من أنواع الوقود كثيفة الطاقة ، مثل الإيثانول أو الميثان.
في الطبيعة ، يتم إجراء التمثيل الضوئي بواسطة عدة مجموعات معقدة للغاية من البروتينات والأصباغ. تمتص الماء وثاني أكسيد الكربون ، وتفصل الجزيئات عن بعضها ، وتعيد ترتيب الذرات لتكوين الكربوهيدرات ، وهي سلسلة طويلة من مركبات الهيدروجين والأكسجين والكربون. ومع ذلك ، يحتاج العلماء إلى إعادة صياغة التفاعلات لإنتاج ترتيب مختلف فقط مع الهيدروجين المحيط بنواة الكربون العصير - CH4 ، المعروف أيضًا باسم الميثان.
إعادة الهندسة هذه أصعب بكثير مما تبدو. كان الناس يتلاعبون بها منذ عقود ، في محاولة للاقتراب من كفاءة الطبيعة.
اعتقد لين وفريق مختبره أنهم قد يحاولون إضافة شيء لم تتضمنه أنظمة التمثيل الضوئي الاصطناعية حتى الآن: الأحماض الأمينية.
بدأ الفريق بنوع من المواد يسمى الإطار المعدني العضوي أو MOF ، وهي فئة من المركبات تتكون من أيونات معدنية مرتبطة ببعضها البعض بواسطة جزيئات ربط عضوية. ثم قاموا بتصميم الأطر العضوية المعدنية كطبقة واحدة ، من أجل توفير مساحة السطح القصوى للتفاعلات الكيميائية ، وغمروا كل شيء في محلول يتضمن مركبًا من الكوبالت لنقل الإلكترونات حوله. أخيرًا ، أضافوا أحماض أمينية إلى الأطر العضوية المعدنية ، وجربوا لمعرفة أيها يعمل بشكل أفضل.
لقد تمكنوا من إجراء تحسينات على نصفي التفاعل: العملية التي تكسر الماء وتلك التي تضيف الإلكترونات والبروتونات إلى ثاني أكسيد الكربون. في كلتا الحالتين ، ساعدت الأحماض الأمينية في زيادة كفاءة التفاعل.
حتى مع الأداء المحسن بشكل كبير ، إلا أن أمام عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي طريق طويل قبل أن تتمكن من إنتاج وقود كافٍ ليكون مناسبًا للاستخدام على نطاق واسع. وقال لين: "حيث وصلنا الآن ، سوف تحتاج إلى زيادة الطلب بعدة أوامر من حيث الحجم لإنتاج كمية كافية من الميثان لاستهلاكنا".
يمكن أيضًا تطبيق الاختراق على نطاق واسع في التفاعلات الكيميائية الأخرى ؛ تحتاج إلى إنتاج الكثير من الوقود حتى يكون لها تأثير ، ولكن قد تكون الكميات الأصغر من بعض الجزيئات ، مثل المواد الأولية لصناعة الأدوية والنايلون ، من بين أشياء أخرى ، مفيدة جدًا.
قال لين: "الكثير من هذه العمليات الأساسية هي نفسها". "إذا قمت بتطوير كيمياء جيدة ، فيمكن توصيلها بالعديد من الأنظمة."
تعليقات
إرسال تعليق