(PhysOrg.com) -- Un team di ricercatori del MIT ha trovato un nuovo modo per imitare il processo mediante il quale le piante usano il potere della luce solare per dividere l'acqua e produrre combustibile chimico per alimentare la loro crescita. In questo caso, il team ha utilizzato un virus modificato come una sorta di impalcatura biologica in grado di assemblare i componenti su scala nanometrica necessari per dividere una molecola d'acqua in atomi di idrogeno e ossigeno.

La scissione dell'acqua è un modo per risolvere il problema fondamentale dell'energia solare:è disponibile solo quando splende il sole. Usando la luce solare per ricavare idrogeno dall'acqua, l'idrogeno può quindi essere immagazzinato e utilizzato in qualsiasi momento per generare elettricità utilizzando una cella a combustibile, o per produrre combustibili liquidi (o essere utilizzati direttamente) per auto e camion.

Altri ricercatori hanno realizzato sistemi che utilizzano l'elettricità, che può essere fornito da pannelli solari, per scindere le molecole d'acqua, ma il nuovo sistema a base biologica salta i passaggi intermedi e utilizza la luce solare per alimentare direttamente la reazione. L'anticipo è descritto in un articolo pubblicato l'11 aprile in Nanotecnologia della natura .

Il gruppo, guidata da Angela Belcher, il Professore Germeshausen di Scienza e Ingegneria dei Materiali e Ingegneria Biologica, progettato un comune, virus batterico innocuo chiamato M13 in modo che possa attrarre e legarsi con le molecole di un catalizzatore (il team ha utilizzato l'ossido di iridio) e un pigmento biologico (porfirine di zinco). I virus sono diventati dispositivi simili a fili che potrebbero dividere in modo molto efficiente l'ossigeno dalle molecole d'acqua.

Col tempo, però, i fili del virus si accalcherebbero e perderebbero la loro efficacia, quindi i ricercatori hanno aggiunto un ulteriore passaggio:incapsulandoli in una matrice di microgel, così mantennero la loro disposizione uniforme e mantennero la loro stabilità ed efficienza.

Mentre l'idrogeno ottenuto dall'acqua è il gas che verrebbe utilizzato come combustibile, la scissione dell'ossigeno dall'acqua è la "mezza reazione" tecnicamente più impegnativa nel processo, Belcher spiega, quindi la sua squadra si è concentrata su questa parte. Piante e cianobatteri (chiamati anche alghe azzurre), lei dice, "hanno sviluppato sistemi fotosintetici altamente organizzati per l'ossidazione efficiente dell'acqua". Altri ricercatori hanno cercato di utilizzare le parti fotosintetiche delle piante direttamente per sfruttare la luce solare, ma questi materiali possono avere problemi di stabilità strutturale.

Belcher decise che invece di prendere in prestito i componenti degli impianti, avrebbe preso in prestito i loro metodi. Nelle cellule vegetali, i pigmenti naturali sono usati per assorbire la luce solare, mentre i catalizzatori poi promuovono la reazione di scissione dell'acqua. Questo è il processo Belcher e il suo team, compreso il dottorando Yoon Sung Nam, l'autore principale del nuovo articolo, deciso di imitare.

Nel sistema della squadra, i virus agiscono semplicemente come una sorta di impalcatura, facendo in modo che i pigmenti e i catalizzatori si allineino con il giusto tipo di spaziatura per innescare la reazione di scissione dell'acqua. Il ruolo dei pigmenti è "funzionare da antenna per catturare la luce, "Belcher spiega, "e quindi trasferire l'energia lungo la lunghezza del virus, come un filo. Il virus è un raccoglitore di luce molto efficiente, con queste porfirine attaccate.

"Utilizziamo componenti che le persone hanno usato prima, "aggiunge, "ma usiamo la biologia per organizzarli per noi, in modo da ottenere una migliore efficienza."

L'uso del virus per assemblare il sistema stesso migliora di quattro volte l'efficienza della produzione di ossigeno, dice Nam. I ricercatori sperano di trovare un sistema simile a base biologica per eseguire l'altra metà del processo, la produzione di idrogeno. Attualmente, gli atomi di idrogeno dell'acqua vengono scissi nei loro componenti protoni ed elettroni; una seconda parte del sistema, ora in fase di sviluppo, li combinerebbe di nuovo in atomi e molecole di idrogeno. Il team sta anche lavorando per trovare un luogo più comune, materiale meno costoso per il catalizzatore, per sostituire l'iridio relativamente raro e costoso utilizzato in questo studio di prova.

Thomas Malluk, il professore DuPont di chimica e fisica dei materiali presso la Pennsylvania State University, chi non era coinvolto in questo lavoro, dice, "Questo è un lavoro estremamente intelligente che affronta uno dei problemi più difficili nella fotosintesi artificiale, vale a dire, l'organizzazione su scala nanometrica dei componenti al fine di controllare le velocità di trasferimento degli elettroni."

E aggiunge:"C'è una scoraggiante combinazione di problemi da risolvere prima che questo o qualsiasi altro sistema fotosintetico artificiale possa effettivamente essere utile per la conversione dell'energia". Per essere competitivi in ​​termini di costi con altri approcci all'energia solare, lui dice, il sistema dovrebbe essere almeno 10 volte più efficiente della fotosintesi naturale, poter ripetere la reazione un miliardo di volte, e utilizzare materiali meno costosi. "È improbabile che ciò accada nel prossimo futuro, ", dice. "Tuttavia, l'idea progettuale illustrata in questo documento potrebbe in definitiva aiutare con un pezzo importante del puzzle."

Belcher non farà nemmeno ipotesi su quanto tempo potrebbe volerci per sviluppare questo prodotto in un prodotto commerciale, ma dice che entro due anni si aspetta di avere un prototipo di dispositivo in grado di eseguire l'intero processo di scissione dell'acqua in ossigeno e idrogeno, utilizzando un sistema autosufficiente e durevole.