Una foglia artificiale in grado di raccogliere energia dal sole più velocemente di una naturale potrebbe portare a una nuova generazione di energie rinnovabili e tecnologie mediche.

In centinaia di milioni di anni, l'evoluzione ha perfezionato un processo che consente alle piante di utilizzare l'energia del sole per trasformare l'anidride carbonica e l'acqua nel carburante zuccherino di cui hanno bisogno per crescere.

L'elegante serie di reazioni biochimiche coinvolte in questo processo sono alcuni degli elementi costitutivi fondamentali della vita su questo pianeta.

Ma ora gli scienziati hanno battuto la natura nel suo stesso gioco creando una foglia semi-artificiale che incorpora alcuni dei componenti affinati dall'evoluzione per produrre un dispositivo che è fino a sei volte più efficiente.

"Quando i componenti naturali della fotosintesi sono incorporati in dispositivi artificiali, questi dispositivi superano la capacità di trasferimento di elettroni che si trova nell'ambiente naturale, ", ha affermato il dottor Nicolas Plumeré, un chimico presso l'Università della Ruhr di Bochum in Germania.

Lui e i suoi colleghi, nell'ambito del progetto PHOTOTECH finanziato dall'UE, hanno usato una proteina trovata nelle foglie vere che è responsabile del trasporto di elettroni durante la fotosintesi per creare la loro foglia semi-artificiale.

"Sotto la luce, una proteina che si trova nelle foglie naturali o nelle alghe può produrre circa 50 elettroni ad alta energia ogni secondo, " ha spiegato il dottor Plumeré. "Quando questa stessa proteina viene incorporata nelle foglie artificiali, ogni secondo vengono prodotti fino a 300 elettroni ad alta energia."

Il dottor Plumeré spera che questo approccio possa alla fine fornire nuovi, tecnologie di celle solari semplici ed economiche, note anche come celle fotovoltaiche, basate sulla fotosintesi, anche se avverte che la tecnologia è ancora lontana da trovare applicazioni commerciali.

"Il fotovoltaico verde su larga scala potrebbe essere semplicemente dipinto su un muro per raccogliere l'energia solare direttamente nel punto di utilizzo, " ha detto. La tecnologia potrebbe essere utilizzata anche per alimentare piccoli dispositivi medici, come i sensori impiantati nelle lenti a contatto per monitorare i biomarcatori nelle lacrime.

Poiché la proteina necessaria per i dispositivi può essere ottenuta dalle alghe, può essere prodotto a basso costo rispetto ai metalli delle terre rare necessari per le attuali celle dei pannelli solari.

"Questi materiali fotosintetici possono essere coltivati ​​su acque reflue e gli elementi chimici necessari per il loro assemblaggio sono disponibili all'infinito, " ha detto il dottor Plumeré. "Come tale, aprono una grande promessa per i dispositivi futuri per la raccolta di energia sostenibile, che essi stessi possono essere fabbricati in modo sostenibile."

La produzione di dispositivi in ​​grado di generare energia rinnovabile in modo ecologico può svolgere un ruolo chiave nell'aiutare a sostituire la dipendenza del pianeta dai combustibili fossili inquinanti. Ma la natura intermittente di tali fonti di energia rinnovabile rende questo compito difficile. Come, Per esempio, si possono tenere accese le luci quando le celle solari non producono elettricità di notte?

Scissione dell'acqua

La risposta sta nell'immagazzinare l'energia prodotta da tali fonti rinnovabili, sebbene ad oggi, le batterie moderne e altre opzioni di archiviazione offrono solo una capacità limitata di farlo. Ma gli scienziati ritengono che anche in questo caso la fotosintesi possa fornire una soluzione.

"Il modo più efficace per immagazzinare energia rinnovabile è produrre un combustibile come l'idrogeno, "ha detto il dottor Vincent Artero, un chimico presso l'Università di Grenoble Alpes e CEA-Grenoble, Francia. "Poiché l'energia solare è l'energia rinnovabile più abbondante, perché non sviluppare un processo che catturi direttamente la luce solare e la trasformi in carburante?"

Il dottor Artero e il suo team hanno copiato il metabolismo di alcune alghe che utilizzano l'energia solare per dividere l'acqua in idrogeno e ossigeno. Finanziato dal Consiglio europeo della ricerca dell'UE, il progetto PhotocatH2ode mira a incorporare coloranti e catalizzatori bio-ispirati in una cella fotoelettrochimica, producendo una sorta di foglia artificiale in grado di generare idrogeno dalla luce solare e dall'acqua.

"Il nostro approccio utilizza componenti molecolari, come coloranti, per assorbire la luce solare e catalizzatori per ottenere la produzione di idrogeno, immobilizzato su elettrodi trasparenti." ha detto il dottor Artero. "Questo lavoro apre nuovi orizzonti per lo sviluppo di nuove tecnologie di produzione di idrogeno".

Imitando la natura

Ma capire come le alghe, piante e batteri possono convertire l'energia luminosa a livello molecolare potrebbe portare a sistemi di raccolta della luce artificiale ancora più efficienti. Un team che lavora al progetto ENLIGHT, finanziato dall'UE, sta sviluppando nuovi modelli teorici e computazionali per svelare come funzionano questi sistemi complessi ma unici.

"In questi organismi, la raccolta della luce è la prima, tappa fondamentale della fotosintesi, " ha detto la professoressa Benedetta Mennucci, un chimico presso l'Università di Pisa in Italia, chi guida ENLIGHT. "I modelli sviluppati possono ora essere applicati a diversi tipi di organismi per capire se la natura ha ottimizzato alcune caratteristiche specifiche, comuni a tutti i sistemi, che possono essere imitate in quelli artificiali".

Questo lavoro potrebbe rivelarsi cruciale nel guidare un'area di ricerca emergente:la chimica a energia solare. Questo mira a imitare la natura utilizzando l'energia solare direttamente per la produzione di combustibili, prodotti chimici e materiali.

"Potremmo sostituire tutti i nostri metodi attuali per la produzione di combustibili e prodotti chimici di base con nuovi che utilizzano l'acqua, azoto e anidride carbonica come materie prime, insieme alla luce o all'elettricità rinnovabile come input energetico, " ha detto il dottor Artero. "Questa sarebbe una rivoluzione per l'Europa."