Химики создали способные к фотосинтезу наносферы из углерода и азота
16 октября 2012 года
Немецкие и китайские биохимики создали искусственный аналог зеленого листа в виде микросфер из нитрида углерода и прикрепленных к ним атомов платины, способных поглощать энергию света и использовать ее для восстановления водорода из молекул воды, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.
Все ключевые процессы фотосинтеза в клетках растений происходят в хлоропластах - обособленных клеточных структурах, появившихся в результате "ассимиляции" цианобактерий предками современной флоры. Хлоропласты содержат в себе так называемые граны, внутри которых происходит "световая" часть фотосинтеза. Граны представляют собой "стопки" из особых мембран-тилакоидов, на поверхности которых осуществляется поглощение света и транспортировка его энергии в другие части хлоропласта.
Группа ученых под руководством Синьченя Вана (Xinchen Wang) из университета города Фучджоу (Китай) разработала искусственный аналог тилакоидной мембраны, экспериментируя с различными наноструктурами из нитрида углерода.
Как объясняют биохимики, тилакоидная мембрана необходима растению для одновременного проведения двух химически противоположных реакций - восстановления углекислого газа и окисления воды при помощи энергии света. Тилакоид позволяет проводить эти процессы в отдельных биологических "пробирках" и использовать освободившуюся энергию для синтеза питательных веществ.
Ван и его коллеги предположили, что небольшие полые сферы из нитрида углерода (C3N4) - соединения углерода и азота - могут выступить в качестве искусственного аналога тилакоидов. На эту мысль их натолкнули необычные свойства C3N4 - это вещество химически инертно и при этом оно относится к числу полупроводников, способных поглощать свет и вырабатывать электрический ток.
Авторы статьи попытались использовать эти свойства нитрида углерода, изготовив набор из микроскопических полых сфер, толщина стенок которых могла составлять от 28 до 85 нанометров. Исследователи покрыли их поверхность атомами платины и проверили, как такие структуры будут взаимодействовать со светом и молекулами воды.
Как и ожидали ученые, сферы из нитрида углерода успешно поглощали энергию видимого излучения, причем пик поглощения приходился на видимый свет с длиной волны в 440-550 нанометров. По словам биохимиков, именно на этот диапазон приходится львиная доля энергии солнечного света.
Убедившись в работоспособности частиц, Ван и его коллеги попытались оценить эффективность их работы, замеряя то количество водорода, которые они вырабатывают при освещении мощным прожектором. К удивлению авторов статьи, их детище оказалось очень эффективным - максимальный КПД наносфер составил 7,5%, что в несколько раз больше показателей самых эффективных на сегодня методов выделения водорода из воды при помощи энергии света.
Биохимики полагают, что эффективность работы их изобретения может быть улучшена при помощи различных присадок, расширяющих спектр поглощения света. Небольшие размеры наночастиц и их химическая и механическая стойкость позволяют использовать их для конструкции фотосинтезирующих приборов с совершенно разными функциями и формами, заключают авторы статьи.