Il consumo energetico medio globale dei combustibili per il trasporto è attualmente di diversi terawatt (1 terawatt =10 ¹² Joule) al secondo. Una grande lacuna scientifica per lo sviluppo di una tecnologia a combustibili solari che potrebbe sostituire le risorse fossili con risorse rinnovabili è la scalabilità a un livello di terawatt senza precedenti. Infatti, l'unica tecnologia esistente per produrre composti chimici su scala terawatt è la fotosintesi naturale.

Le due reazioni necessarie per completare il ciclo fotosintetico - riduzione di CO2 e ossidazione di H2O - avvengono in ambienti incompatibili, quindi devono essere fisicamente separati da una barriera. Ma, affinché il processo sia efficiente, la distanza tra i due dovrebbe essere la più breve possibile, su scala nanometrica. I sistemi fotosintetici naturali lo fanno molto bene, ma presenta una sfida ingegneristica per la fabbricazione di fotosistemi artificiali basati su questo disegno, ha spiegato Heinz Frei, uno scienziato senior nella divisione di biofisica molecolare e bioimmagini integrate (MBIB) di Bioscienze.

Frei ha collaborato con Eran Edri, un ex borsista post-dottorato in MBIB ora alla Ben-Gurion University, e Shaul Aloni alla Fonderia Molecolare, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. Hanno sviluppato un metodo di fabbricazione per realizzare un fotosistema artificiale di dimensioni di un pollice quadrato, sotto forma di un array di nanotubi core-shell inorganico, che implementa per la prima volta questo principio di progettazione. "Questo risultato è reso possibile dalla sinergia unica di biofisica, chimico, e nanomateriali di MBIB, contribuendo così ai progressi scientifici della Divisione verso la soluzione di una grande sfida nazionale nel campo dell'energia, " ha detto Frei.

Il metodo, descritto in un articolo pubblicato all'inizio di quest'anno in ACS Nano , impiega una matrice di barre di silicio come modello in combinazione con la deposizione di strati atomici e tecniche di crioincisione per fornire il controllo delle scale di lunghezza caratteristiche dei componenti su otto ordini di grandezza. Mentre l'array è fabbricato su macroscala, il diametro dei singoli tubi è di poche centinaia di nanometri e lo spessore della parete di poche decine di nanometri.

Le superfici interne dei nanotubi di ossido di cobalto forniscono il sito catalitico per l'ossidazione di H2O, che sono separati dall'assorbitore di luce e dai siti di riduzione della CO2 all'esterno da uno strato di silice a fase densa ultrasottile. Quest'ultimo agisce come un conduttore di protoni, Membrana impermeabile all'O2. Un po' sorprendente è stata la scoperta che, nonostante condizioni di sintesi apparentemente incompatibili, è stato infatti possibile assemblare un costrutto solido su nanoscala a base di ossido con fili molecolari organici "morbidi" incorporati per la conduzione di elettroni e finire con tutti i componenti intatti, ha osservato Frei.

L'array di nanotubi fornisce una base per lo sviluppo di sistemi di combustibili solari ingegnerizzati scalabili adatti per la distribuzione su abbondanti, terreno non coltivabile.