جزيء نباتي مبتكر يحول ضوء الشمس إلى طاقة في خطوة لتعزيز وقود الشمس

تطور جزيء جديد مستوحى من التمثيل الضوئي

طور فريق بحثي من جامعة بازل في سويسرا جزيئًا جديدًا يستلهم من عملية التمثيل الضوئي لدى النباتات. يعمل هذا الجزيء، تحت تأثير الضوء، على تخزين شحنتين موجبتين وشحنتين سالبتين في آن واحد، بهدف تحويل ضوء الشمس إلى وقود محايد كربونيًا.

عملية التمثيل الضوئي في النباتات

تستخدم النباتات طاقة ضوء الشمس لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى جزيئات سكر غنية بالطاقة في عملية تُعرف بالتمثيل الضوئي. تعتبر هذه العملية الأساس لكافة أشكال الحياة تقريباً؛ حيث يمكن للحيوانات والبشر “حرق” الكربوهيدرات الناتجة للحصول على الطاقة المخزنة بداخلها، مما يعيد إنتاج ثاني أكسيد الكربون ويغلق الدورة الحيوية.

إنتاج وقود صديق للبيئة

قد يكون هذا النموذج مفتاحًا لإنتاج وقود صديق للبيئة. يعمل الباحثون على محاكاة التمثيل الضوئي الطبيعي لاستخدام ضوء الشمس في إنتاج مركبات عالية الطاقة تُعرف بالوقود الشمسي، مثل الهيدروجين والميثانول والبنزين الصناعي. عند احتراق هذه المركبات، تطلق نفس الكمية من ثاني أكسيد الكربون المستخدمة في إنتاجها، مما يجعلها محايدة كربونيًا.

ابتكار جزيء ذو بنية خاصة

في دورية Nature Chemistry، قام الباحثان أوليفر وينجر وماتيس براندلين بتقديم تقرير حول خطوة مهمة نحو تحقيق رؤية التمثيل الضوئي الاصطناعي. حيث طورا جزيئًا خاصًا قادرًا على تخزين أربع شحنات في وقت واحد تحت تأثير الضوء – شحنتين موجبتين وشحنتين سالبتين.

آلية عمل الجزيء

يعتبر التخزين الوسيط لعدة شحنات شرطًا أساسيًا لتحويل ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية، حيث يُمكن استغلال هذه الشحنات في دفع تفاعلات كيميائية، مثل شطر الماء إلى هيدروجين وأكسجين. يتكون الجزيء من خمسة أجزاء مترابطة، يؤدي كل منها وظيفة محددة:

• في أحد الطرفين، يوجد جزءان يحرران الإلكترونات ويصبحان مشحونين بشحنة موجبة.
• وفي الطرف الآخر، يعمل جزءان على التقاط الإلكترونات، مما يجعلهما مشحونين بشحنة سالبة.
• أما في الوسط، فقد وضع الكيميائيون مكونًا يلتقط ضوء الشمس ويُطلق التفاعل (نقل الإلكترون).

تفاعل ضوئي متدرج

لإنتاج الشحنات الأربع، اتبع الباحثون نهجًا تدريجيًا باستخدام ومضتين من الضوء. تعمل الومضة الأولى على تنشيط الجزيء وتؤدي إلى إنتاج شحنة موجبة وأخرى سالبة، تتحركان نحو الطرفين المتقابلين من الجزيء. مع الومضة الثانية من الضوء، يتكرر نفس التفاعل، مما يؤدي إلى وجود شحنتين موجبتين وشحنتين سالبتين في النهاية.

وأوضح براندلين: “تتيح هذه الإثارة التدريجية إمكانية استخدام ضوء أقل كثافة، مما يقربنا من شدة ضوء الشمس”.

تحديات البحث المستمرة

بينما تظل هذه النتائج خطوة مهمة، لم يُنتج الجزيء الجديد بعد نظامًا متكاملاً للتمثيل الضوئي الاصطناعي. وأكد وينجر: “لقد حددنا قطعة مهمة من أحجية البحث، وتسهم هذه النتائج في تحسين فهمنا لكيفية نقل الإلكترونات التي تشكل جوهر التمثيل الضوئي الاصطناعي”.

وأضاف وينجر: “نأمل أن تساعدنا هذه الجهود في فتح آفاق جديدة لمستقبل طاقة مستدام”.