კლიმატის ცვლილებასთან საბრძოლველად მეცნიერები ნახშირბად მშიერ მიკროორგანიზმებს იყენებენ
ახალ ტექნიკას შეუძლია დააჩქაროს მომავალი ნახშირბადისგან თავისუფალი მზის საწვავის წარმოება.
ბერკლის ლაბორატორიის მეცნიერებმა შეიმუშავეს ბუნებისგან შთაგონებული ტექნიკა ნახშირორჟანგის მზის საწვავად გადასაქცევად. (კრედიტი: Shutterstock/3rdtimeluckystudio)
ლოურენს ბერკლის ეროვნული ლაბორატორიის (ბერკლის ლაბორატორიის) მეცნიერებმა წარმოადგინეს ახალი ტექნიკა, რომელიც მოდელირებულია ზოგიერთ ბაქტერიაში ნაპოვნი მეტაბოლური პროცესის მიხედვით – ნახშირორჟანგის (CO2) გარდაქმნა თხევად აცეტატად, სადაც მთავარი ინგრედიენტი ხელოვნური ფოტოსინთეზით მიღებული მზის “თხევადი შუქი” ან მზის საწვავია.
ახალი მიდგომა, რომელიც მოხსენებულია Nature Catalysis- ში , შეიძლება დაეხმაროს წიაღისეული საწვავის უნახშირბადო ალტერნატივების იმ განვითარებას, რომლებიც დაკავშირებულია გლობალურ დათბობასა და კლიმატის ცვლილებასთან.
ნამუშევარი ასევე მოწყობილობის პირველი დემონსტრირებაა და ასახავს იმას, თუ როგორ ასინთეზებენ ეს ბაქტერიები ბუნებრივად აცეტატს ელექტრონებიდან და CO2-დან.
„რა გასაოცარია ის, რომ ჩვენ ვისწავლეთ ნახშირორჟანგის შერჩევით გარდაქმნა აცეტატად, იმის მიბაძვით, თუ როგორ აკეთებენ ამას ეს პატარა მიკროორგანიზმები ბუნებრივად“, – თქვა უფროსმა ავტორმა პეიდონგ იანგმა, რომელიც ფლობს ბერკლის ლაბორატორიის მასალების მეცნიერების განყოფილების უფროსი ფაკულტეტის მეცნიერის და ქიმიის მასალების მეცნიერებისა და ინჟინერიის პროფესორის ტიტულებს UC Berkeley-ში.
”ყველაფერი, რასაც ვაკეთებთ ჩემს ლაბორატორიაში CO2-ს სასარგებლო პროდუქტად გადაქცევისთვის, ბუნებით არის შთაგონებული. CO2-ს გამონაბოლქვის შემცირებისა და კლიმატის ცვლილებასთან ბრძოლის თვალსაზრისით, ეს პრობლემის გადაწყვეტის ნაწილია“.
– პეიდონგ იანგი, ბერკლის ლაბორატორიის უფროსი ფაკულტეტის მეცნიერი, მასალების მეცნიერებათა განყოფილება
ათწლეულების განმავლობაში მკვლევრებმა იცოდნენ, რომ ზოგიერთ ბაქტერიაში მეტაბოლური გზა მათ ელექტრონების მონელებას და CO2-ს აცეტატის წარმოქმნის საშუალებას აძლევს, რაც ელექტრონებით გამოწვეული რეაქციაა. ეს გზა CO2-ის მოლეკულებს ორ განსხვავებულ ან „ასიმეტრიულ“ ქიმიურ ჯგუფად ჰყოფს: კარბონილის ჯგუფი (CO) ან მეთილის ჯგუფი (CH3). ამ რეაქციის გზაზე ფერმენტები საშუალებას აძლევს CO-სა და CH3-ში შემავალ ნახშირბადს შეერთდნენ ან “დაწყვილდნენ”, რაც შემდეგ იწვევს სხვა კატალიზურ რეაქციას, რომელიც წარმოქმნის აცეტატს, როგორც საბოლოო პროდუქტს.
ხელოვნური ფოტოსინთეზის სფეროში მკვლევრებს სურდათ შეექმნათ მოწყობილობები, რომლებიც მიბაძავს ქიმიას, რომელსაც ეწოდება ნახშირბად-ნახშირბადის ასიმეტრიული შეერთება – მაგრამ სინთეზური ელექტროკატალიზატორების პოვნა, რომლებიც ისევე ეფექტურად მუშაობენ, როგორც ბაქტერიების ბუნებრივი ფერმენტული კატალიზატორები, რთული იყო.
”მაგრამ ჩვენ ვფიქრობდით, რომ თუ ამ მიკროორგანიზმებს შეუძლიათ ამის გაკეთება, უნდა შეგვეძლოს მათი ქიმიის მიბაძვა ლაბორატორიაში”, – თქვა იანგმა.
Advancing artificial photosynthesis with carbon-hungry copper
ხელოვნური ფოტოსინთეზის განვითარება ნახშირბად-მშიერი სპილენძით
სპილენძის ნახშირბადის სხვადასხვა სასარგებლო პროდუქტად გადაქცევის ნიჭი პირველად 1970-იან წლებში აღმოაჩინეს. ამ წინა კვლევებზე დაყრდნობით, იანგმა და მისმა გუნდმა დაადგინეს, რომ ხელოვნური ფოტოსინთეზის მოწყობილობებს, რომლებიც აღჭურვილია სპილენძის კატალიზატორით, უნდა შეეძლოთ CO2-ისა და წყლის მეთილის და კარბონილის ჯგუფებად გადაქცევა და შემდეგ ამ პროდუქტების აცეტატად გადაქცევა. ასე რომ, ერთი ექსპერიმენტისთვის იანგმა და გუნდმა შეიმუშავეს მოდელის მოწყობილობა სპილენძის ზედაპირით; შემდეგ მათ გამოავლინეს სპილენძის ზედაპირი თხევადი მეთილის იოდიდის (CH3I) და CO გაზით და გამოიყენეს ელექტრული მიკერძოება სისტემაში.
მკვლევრებმა გამოთქვეს ჰიპოთეზა, რომ CO სპილენძის ზედაპირს ეწებება, რაც იწვევს CO და CH3 ჯგუფების ასიმეტრიულ შეერთებას აცეტატის წარმოქმნით. იზოტოპებით ეტიკეტირებული CH3I გამოიყენებოდა ექსპერიმენტებში, რათა თვალყური ედევნებინათ რეაქციის გზასა და საბოლოო პროდუქტებზე.
და ისინი მართლები იყვნენ. იანგის UC ბერკლის ლაბორატორიაში ჩატარებულმა ქიმიურმა ანალიტიკურმა ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ კარბონილისა და მეთილის ჯგუფების სპილენძის დაწყვილების შედეგად წარმოიქმნება არა მხოლოდ აცეტატი, არამედ სხვა ღირებული სითხეები, მათ შორის, ეთანოლი და აცეტონი. იზოტოპურმა მიკვლევამ მკვლევრებს საშუალება მისცა დაადასტურონ, რომ აცეტატი წარმოიქმნა CO-სა და CH3-ის კომბინაციით.
7 ნანომეტრის დიამეტრის სპილენძის ნანონაწილაკების (მარცხნივ) და ვერცხლის ნანონაწილაკების (ცენტრში) ელექტრონული მიკროსკოპის სურათები. მარჯვნივ: სპილენძისა და ვერცხლის ნანონაწილაკებისგან სინთეზირებული ულტრათხელი მასალის ელექტრონული მიკროსკოპის სურათი, რომელიც პოტენციურად შეიძლება იყოს შერწყმული სინათლის შთამნთქმელი სილიკონის ნანომავთულებით ეფექტური ხელოვნური ფოტოსინთეზის სისტემების შესაქმნელად. (კრედიტი: Peidong Yang/Berkeley Lab; Nature Catalysis-ის შემწეობით)
სხვა ექსპერიმენტში მკვლევარებმა სპილენძისა და ვერცხლის ნანონაწილაკების ხსნარიდან ულტრათხელი მასალის სინთეზირება მოახდინეს, თითოეულის დიამეტრი მხოლოდ 7 ნანომეტრი (მილიარდედი მეტრი) გახლდათ. შემდეგ მკვლევრებმა შეიმუშავეს სხვა მოდელის მოწყობილობა, ამჯერად ნანონაწილაკების თხელი მასალით.
როგორც მოსალოდნელი იყო, ელექტრულმა ბმამ გამოიწვია რეაქცია, რითაც ვერცხლის ნანონაწილაკები CO2-ს კარბონილის ჯგუფად გარდაიქმნა, ხოლო სპილენძის ნანონაწილაკები CO2-ს მეთილის ჯგუფად. იანგის ლაბორატორიის შემდგომმა ანალიზებმა აჩვენა, რომ სხვა რეაქციებისას (სასურველი ასიმეტრიული შეერთება) CO და CH3 სინთეზირებისას წარმოქმნა ისეთი თხევადი პროდუქტები, როგორიცაა აცეტატი.
მოლეკულურ საწარმოში ელექტრონული მიკროსკოპის ექსპერიმენტების გამოყენებით მკვლევრებმა დაადგინეს, რომ სპილენძისა და ვერცხლის ნანონაწილაკები ერთმანეთთან მჭიდრო კავშირშია, ქმნიან ტანდემურ სისტემებს და რომ სპილენძის ნანონაწილაკები ასიმეტრიული ურთიერთქმედების კატალიზურ ადგილს წარმოადგენს.
იანგმა თქვა, რომ ეს სპილენძ-ვერცხლის ნანონაწილაკები შეიძლება პოტენციურად შერწყმული იყოს სინათლის მშთანთქმელი სილიკონის ნანომავთულებით, ეფექტური ხელოვნური ფოტოსინთეზის სისტემების მომავალ დიზაინში.
2015 წელს იანგი უძღვებოდა კვლევას, რომელმაც აჩვენა ხელოვნური ფოტოსინთეზის სისტემა, რომელიც შედგება ნახევარგამტარული ნანომავთულისა და ბაქტერიებისგან, რომლებიც მზის სინათლის ენერგიას იყენებდნენ ნახშირორჟანგისა და წყლისგან აცეტატის წარმოებისთვის. ამ აღმოჩენამ მნიშვნელოვანი გავლენა მოახდინა მზარდ სფეროზე, სადაც მკვლევრები ათწლეულების მანძილზე ეძებდნენ საუკეთესო ქიმიურ რეაქციებს CO2-დან თხევადი პროდუქტების მაღალი მოსავლიანობის მისაღებად.
ახალი კვლევა აუმჯობესებს ამ ადრინდელ სამუშაოს სინთეზური ელექტროკატალიზატორის – სპილენძისა და ვერცხლის ნანონაწილაკების დემონსტრირებით, რომელიც “აშკარად მიბაძავს იმას, რასაც ბაქტერიები აკეთებენ CO2-დან თხევადი პროდუქტების წარმოებისთვის”, – თქვა იანგმა. „ჩვენ ჯერ კიდევ ბევრი გვაქვს გასაკეთებელი მის გასაუმჯობესებლად, მაგრამ წახალისებულები ვართ მისი ფოტოსინთეზისთვის ხელშეწყობის პოტენციალით.
კვლევაში მონაწილეობდნენ ბერკლის ლაბორატორიისა და ბერკლის კალიფორნიის უნივერსიტეტის მკვლევრები.
ეს ნამუშევარი მხარდაჭერილია აშშ-ს ენერგეტიკის დეპარტამენტის მეცნიერების ოფისის მიერ.
მოლეკულური საწარმო არის აშშ-ს ენერგეტიკის დეპარტამენტის მომხმარებლის დაწესებულება ბერკლის ლაბორატორიაში.
სტატიაზე მუშაობდა : ლილი ყვავილაშვილი და დეა კუსიანი
წყარო : newscenter.lbl.gov
7 დეკემბერი 2023 წელი.