فتوسنتز یکی از حیاتی‌ترین پدیده‌های طبیعت است. فتوسنتز نه‌ تنها بیشتر اکسیژن مورد مصرف ما انسان‌ها را تأمین می‌کند، بلکه غذا و انرژی مورد نیاز گیاهان را نیز در اختیارشان قرار می‌دهد. فتوسنتز نور مرئی را که خورشید به‌ وفور به سطح سیاره‌ی زمین می‌تاباند، تبدیل به سوخت مورد نیاز گیاهان می‌کند. محققان در تلاش‌اند تا با الهام از این سازوکار طبیعی، فرایندی آزمایشگاهی برای تولید انواع سوخت‌ها (به‌خصوص متان) طراحی کنند.

اکنون گروه‌هایی از شیمی‌دانان آزمایشگاه ملی نیوهیون و دانشگاه ویرجینیا تک برای این منظور، دو ابرمولکول طراحی کرده‌اند که هر دو از تعدادی یون فلزی جاذب نور روتنیم (Ru) متصل به یک ساختار کاتالیستی مرکزی متشکل از یون‌های فلزی رودیم (Rh) درست شده‌اند.

گرچه هر دوی این ابرمولکول‌ها توانایی انجام فتوسنتز مصنوعی دارند؛ محققان به دنبال تعیین ساختار کارآمدتر از این بین هستند. یافته‌ها نشان می‌دهند ابرمولکولی که از شش جاذب نوری روتتنیم بهره می‌برد، قادر به تولید ۲۸۰ مولکول هیدروژن به ازای هر کاتالیست در زمان ۱۰ ساعت است. در طرف دیگر، ابرمولکول دوم که تنها سه یون جاذب نوری روتنیوم در ساختار خود دارد، توان تولید بیش از ۴۰ مولکول هیدروژن در یک بازه‌ی ۴ ساعته را نداشت و پس از آن کارایی خود را از دست داد.

برای تسریع واکنش و افزایش کارایی آن باید کاتالیزور روتنیوم مرکزی این دو ابرمولکول از لحاظ انرژی در سطح پایینی باشد تا بتواند الکترون‌های جذب‌شده توسط جاذب‌های روتنیومی در معرض تابش را هرچه راحت‌تر دریافت کند.

ساختار ابرمولکولی بزرگ‌تر از این نظر در سطح انرژی پایین‌تری قرار دارد و الکترون‌های حاصل از فتوسنتز مصنوعی را بهتر دریافت می‌کند. این پژوهش‌ها گام بزرگی برای درک اهداف محققان بسیاری است که تلاش می‌کنند تا از فتوسنتز برای تولید انرژی و سوخت پاک استفاده کنند.

یکی دیگر از مزایای فتوسنتز مصنوعی، جذب آلاینده‌های موجود در هوا است؛ زیرا این فرآیند نیز مانند فرآیند طبیعی، از انرژی تابشی برای تثبیت دی‌اکسید کربن موجود در هوا استفاده می‌کند. بنابراین بها دادن به پروژه‌های فتوسنتز مصنوعی می‌تواند زدن دو نشان با یک تیر باشد: کاهش آلایندگی کربنی و تأمین انرژی پاک

یافته‌های این پژوهش در ژورنال شیمی مواد A منتشر شده است. یورایب‌رومو و تیم دانشجوهایش راهی برای آغاز واکنش شیمیایی در ماده‌ای سنتزی به نام چارچوب‌های آلی-فلزی (MOF) ایجاد کرده‌اند که کربن دی‌اکسید را به مواد آلی بی‌ضرر تبدیل می‌کند. این روش در واقع، نوعی فتوسنتز مصنوعی است و دقیقا  همانند درختان که کربن دی‌اکسید و نور خورشید را به غذا تبدیل می‌کنند، توانایی تبدیل کربن دی‌اکسید به سوخت خورشیدی را دارد.

دانشمندان در سرتاسر جهان، سال‌ها به دنبال یافتن این فرایند بوده‌اند؛ اما چالش پیش روی دانشمندان در حال حاضر، یافتن راهی است که در آن نور مرئی بتواند تبدیل شیمیایی را آغاز کند. امواج فرابنفش مقدار انرژی لازم برای شروع این واکنش در مواد معمول مانند تیتانیوم دی‌اکسید را دارند. مشکل اینجا است که تنها چهار درصد از نور دریافتی زمین از خورشید، به شکل اشعه‌ی فرابنفش است. محدوده‌ی نور مرئی (طول موج‌های بنفش تا قرمز) قسمت اعظم نور خورشید دریافتی را تشکیل می‌دهد. مواد اندکی وجود دارند که می‌توانند این رنگ‌های نوری را جذب کنند و واکنشی شیمیایی که کربن دی‌اکسید را به سوخت تبدیل می‌کند، آغاز کنند.

پژوهشگران مواد بسیاری را آزمایش کردند؛ اما موادی که می‌توانند نور مرئی را جذب کنند، مانند پلاتینیوم، رنیوم و ایریدیوم، گران و نایاب هستند و باعث می‌شوند این فرایند از نظر هزینه به‌صرفه نباشد.

یورایب‌رومو از تیتانیوم که ماده‌ای معمول و غیر سمی است استفاده کرد و مولکول‌هایی آلی را که به‌عنوان آنتن جذب نور عمل می‌کنند، به تیتانیوم متصل کرد. مولکول‌های آلی جاذب نور، N-آلکیل-2-آمینو ترفتالات نام دارند و به‌گونه‌ای طراحی می‌شوند که وقتی در MOF ها قرار می‌گیرند، رنگ‌های خاصی از نور را جذب  کنند. یورایب‌مورو مولکول فوق را به‌گونه‌ای طراحی کرده است که بتواند نور آبی را جذب کند.

تیم او با استفاده از یک فتوراکتور LED آبی، این فرضیه را آزمایش کردند. مقدارهای مشخصی از کربن دی‌اکسید به‌آرامی به فتوراکتور (استوانه‌ی آبی درخشان) وارد شد تا وقوع واکنش بررسی شود. نور آبی درخشان از چراغ‌های LED داخل استوانه منتشر می‌شود و نقش طول موج آبی نور خورشید را ایفا می‌کنند.

این آزمایش موفقیت‌آمیز بود و واکنش شیمیایی صورت گرفته، کربن دی‌اکسید را به دو فرم کاهش‌ یافته از کربن به نام‌های فرمات (HCO2-) و فرمامید (HCONH2) تبدیل کرد. این دو ماده نوعی از سوخت‌های خورشیدی هستند که هوای پاک تولید می‌کنند.

یورایب‌رومو می‌خواهد بررسی کند که آیا با اعمال تغییراتی روی ماده‌ی سنتز شده، سایر طول‌موج‌های نور مرئی هم‌ چنین واکنشی را آغاز خواهند کرد یا خیر؟ اگر پاسخ مثبت باشد، آنگاه این روش، راهی بهینه برای کاهش گازهای گلخانه‌ای خواهد بود.

به گزارش گروه علم و فناوری آنا به نقل از وب‌سایت دانشگاه ایالتی فلوریدا، فتوسنتز یا فرآیندی که طی آن گیاهان با استفاده از نور خورشید، اکسیژن و غذا تولید می‌کنند، یکی از کارهای شگفت‌انگیز طبیعت است که انسان همواره آرزوی دستیابی به آن را داشته است.

پیش از این دانشمندان موفق به ابداع روش‌هایی برای این کار شده بودند اما این روش‌ها فقط به درد اهداف آزمایشگاهی می‌خوردند چراکه نه از نظر اقتصادی و نه از نظر زمانی قابل استفاده نبودند.

در واقع روش‌هایی که تاکنون برای فتوسنتز مصنوعی به کار گرفته می‌شد، آنقدر پیچیده و سخت بودند که استفاده از آنها تقریبا غیر ممکن بود. اکنون محققان در دانشگاه ایالتی فلوریدا موفق شده‌اند روشی ابداع کنند که در آن به سادگی می‌توان انرژی رایگان نور خورشید را برای تولید اکسیژن و هیدروژن به کار گرفت.

در این روش یک لایه نازک از جنس یک اکسید خاص از منگنز، با به دام انداختن نور خورشید، از آن برای تولید اکسیژن و هیدروژن استفاده می‌کند. در روش‌هایی که برای تولید انرژی از نور خورشید رایج هستند و در سلول‌های تولید برق خورشیدی، همواره وجود چند لایه از ماده تولید کننده نیاز است اما در این روش تنها یک لایه از اکسید منگنز برای انجام کار کافی‌ است.

در گیاهان، این کار توسط ماده‌ای به نام «کلروفیل» یا «سبزینه» انجام می‌شود که همین ماده مسئول رنگ سبز برگ درختان است. در آن پروسه، وقتی کلروفیل در معرض نور خورشید قرار می‌گیرد، اتم‌ها از یک لایه انرژی به لایه بالاتر منتقل می‌شوند و در این جابه‌جایی مقداری انرژی آزاد می‌شود که صرف تولید قندهای مغذی می‌شود. در شب و در نبود خورشید نیز گیاه بخشی از انرژی را که به این شکل تولید کرده، دوباره مصرف می‌کند و در واقع این سیکل را بالعکس طی می‌کند.

بنابر اعلام دانشگاه ایالتی فلوریدا، روش تازه فتوسنتز مصنوعی، هنوز راه طولانی تا انتقال از آزمایشگاه به زندگی روزمره در پیش دارد اما زمانی که این روش به‌صورت تجاری مورد استفاده قرار گیرد می‌توان شاهد خودروهای هیدروژنی بود که بخشی از سوختشان را خودشان تولید می‌کنند یا خانه‌هایی که بدون باغچه و تنها با پنل‌هایی روی سقف، قادرند اکسیژن تولید کنند.