پیشرفت در تولید برگ مصنوعی
کاری که طبیعت بدون زحمت از طریق فتوسنتز انجام می‌دهد، برای دانشمندانی که سعی می‌کنند آنرا با عنوان برگ مصنوعی شبیه‌سازی کنند کاری بس دشوار است.
کاری که طبیعت بدون زحمت از طریق فتوسنتز انجام می‌دهد، برای دانشمندانی که سعی می‌کنند آنرا با عنوان برگ مصنوعی شبیه‌سازی کنند کاری بس دشوار است. در سال‌های اخیر، پیشرفت‌های مهمی در این زمینه صورت گرفته است، ولی هنوز برگ مصنوعی آنقدر ناکارآمد است که ارزش پیگیری در مقیاس بزرگ را نداشته است. پژوهشگران دانشگاه ایالتی آریزونا (ASU) پیشرفت‌های قابل ملاحظه‌ای را در جهت تکمیل برگ مصنوعی کارآمد گزارش کرده‌اند.
توضیح شکل: مرکز عملکرد مصنوعی فتوسنتز مشتمل بر رله‌های (تقویت‌کننده‌های) الکترونی (زرد) الهام گرفته از جهان زیستی است که برخی از جنبه‌های فتوسنتز را تقلید می‌کنند.
گیاهان در گرفتن دی اکسید کربن از هوا و تبدیل آن به زیست‌توده (بیوماس) با استفاده از نور به عنوان منبع انرژی، بسیار کارآمد هستند. چیزی که دانشمندان به آن خیلی علاقه‌مندند، استفاده از فرآیند فتوسنتز مصنوعی برای شکستن آب به مولکول‌های تشکیل‌دهنده آن یعنی هیدروژن و اکسیژن است. هیدروژن یکی از سوخت‌های مهم است که به راحتی قابل مصرف بوده ولی تنها مشکل، تولید آن است. اقتصاد هیدروژنی، برنامه‌ای است که جهانی را تجسم می‌کند که نیازهای انرژی توسط هیدروژن که سوختی ارزان و پاک است، تامین می‌شود. جهان نیازمند منبع سوختی تجدیدپذیری است که به طور گسترده‌ای توزیع شده، فراوان، ارزان و سازگار با محیط زیست باشد.
مسئله مهم اینست که همانطور که دانشمندان چند دهه پیش فهمیده بودند، تقلید از فتوسنتز در کل خیلی سخت تر از آن است که به نظر می‌رسد. پژوهشگران با نگاه دقیق‌تر به طبیعت فهمیدند که چگونه طبیعت بر مشکل مربوط به فرآیند فتوسنتز، که در آن آب برای تولید اکسیژن اکسیده می‌شود، غلبه می‌کند.
توماس مور پروفسور شیمی از دانشگاه آریزونا در این خصوص می‌گوید: ” برگ‌های مصنوعی ما در ابتدا به خوبی کار نمی‌کردند و ما مطالعات تشخیصی را بر روی این مسئله که چرا تعامل موثری بین واکنش سریع شیمیایی و واکنش کند شیمیایی وجود ندارد، ادامه دادیم. واکنش سریع، مرحله‌ای است که انرژی نوری به انرژی شیمیایی تبدیل می‌شود و واکنش کند، مرحله‌ای است که از انرژی شیمیایی برای تبدیل آب به عناصر آن یعنی هیدروژن و اکسیژن استفاده می‌شود”.
مور افزود: “با بررسی جزئیات متوجه شدیم که طبیعت از یک مرحله میانی استفاده می‌کند. این مرحله میانی شامل یک رله برای الکترون‌ها است که در آن نیمی از رله با واکنش سریع به روشی بهینه برای تامین آن تعامل دارد و نیم دیگر از رله زمان کافی برای انجام واکنش کند اکسیداسیون آب را به روشی کارآمد، دارد”.
با استفاده از این یافته جدید، پژوهشگران رله‌ای مصنوعی را بر اساس همتای طبیعی آن طراحی کردند و با پیشرفت بزرگی در این راه مواجه شدند. روش‌های کریستالوگرافی اشعه X و اسپکتروسکوپی تشدید نوری و مغناطیسی برای تعیین و تشخیص تعامل انجام شده بین الکترون‌ها و پروتون‌های مشارکت‌کننده در رله، مورد استفاده قرار گرفتند. نظریه‌ای نسبتا قوی در مورد مکانیزم انتقال پروتون به همراه الکترون وجود دارد؛ با این کار نظری که آنها را هدایت می‌کرد و داده‌های تجربی در دست، دانشمندان آریزونا یک ساختار منحصر به فرد از رله را شناسایی کردند. این ساختار یک پیوند کوچک و غیرطبیعی بین اتم هیدروژن و اتم نیتروژن بود که عملکرد درست رله را تسهیل می‌کرد.
آنها همچنین ویژگی‌های ظریف مغناطیسی را از ساختار الکترونی رله مصنوعی شناسایی کردند که منعکس‌کننده ویژگی‌هایی بودند که در سیستم‌های طبیعی یافت می‌شدند.
در حال حاضر نه تنها سیستم مصنوعی بهبود یافته است بلکه تیم پژوهشی عملکرد سیستم طبیعی را بهتر درک کرده‌اند. این مسئله از آنجاکه دانشمندان روش برگ مصنوعی را برای مهار پایدار انرژی خورشیدی مورد نیاز برای فراهم کردن غذا، سوخت و فیبر بهبود بخشیدند و همچنین از آنجاکه نیازهای انسان رو به افزایش است، در آینده بسیار مهم خواهد بود.
منبع: ASU
ترجمه: نغمه عبیری