16.07.2008

Китайцы сделали шаг к искусственному фотосинтезу

Группа учёных под руководством Сяня Фу Чжана (Xian-Fu Zhang) из университета науки и технологии провинции Хэбэй (Hebei Normal University of Science and Technology) провела любопытный опыт и открыла, что углеродные нанотрубки могут стать тем недостающим звеном в механизме фотосинтеза, который пока безуспешно пробуют воспроизвести химики.

Сразу поясним, речь идёт не о банальной выработке энергии из света, а о целой цепочке превращений, движимых светом, благодаря которым растения могут усваивать углекислый газ, вырабатывать кислород и синтезировать сложные углеводороды, необходимые им для роста.

Искусственный фотосинтез мог бы оказаться полезным для производства водородного топлива, очистки атмосферы от парниковых газов и в целом ряде других приложений.

Однако, несмотря на то что в целом процесс фотосинтеза учёным ясен, отдельные тонкости продолжают оставаться непрояснёнными. Кстати, мы как-то рассказывали про загадку четырёх атомов марганца и компьютерную модель фотосинтеза.

Среди подобных элементов системы фотосинтеза есть такой, который учёные пока не могли воспроизвести искусственно. Речь идёт о хранении электронов.

Дело в том, что для создания сложных углеводородов требуется наличие в одном месте нескольких возбуждённых электронов (в ходе фотосинтеза проходит несколько реакций окисления и восстановления с участием сложных биологических молекул, передающих электроны друг другу). А один квант света способен "поставить" только один электрон. Так что в системе должен быть "накопитель", готовый принять много электронов и в нужный момент отдать их все.

Китайские учёные установили, что одностенные углеродные нанотрубки прекрасно подходят на эту роль, так как каждые 32 их атома способны совместно принять один электрон.

Оставалось только найти достаточно небольшую молекулу, способную связываться с нанотрубкой и при этом выдавать сразу помногу электронов под действием света.

Оказалось, что такой молекулы нет, но зато есть интересное соединение фталоцианин (Phthalocyanine— PC), способное выдать один электрон при поглощении света. Это вещество, кстати, применяется в качестве фоточувствительного слоя в наиболее совершенных вариациях записываемых компакт-дисков (CD-R).

Сянь Фу Чжан и его коллеги поняли, что искомую систему можно создать, если соединить нанотрубку нужной длины с большим числом молекул PC. Это и удалось проделать. 120 PC было присоединено к одной нанотрубке длиной всего 1 микрометр.

В ходе опыта выяснилось, что при облучении полученного комплекса видимым светом молекулы PC выдавали электроны, и 25% от их числа сохранялось в нанотрубке.

Китайские специалисты полагают, что на основе такого комплекса можно будет создать и фотоэлектрическую панель, и искусственную систему фотосинтеза, в которой электроны помогают преобразованию молекулы NADP (никотинамид аденин динуклеотид фосфат) в её восстановленную форму NADH, которая в фотосинтетических организмах, к примеру, принимает участие в превращении углекислого газа и воды в углеводороды.

Подробности опыта изложены в статье в журнале ChemPhysChem.

Источники:

1. MEMBRANA