Až opadá všechno listí ze stromů…nahradí ho listy umělé?

Představte si, že by veškeré rostliny na naší planetě jako mávnutím kouzelného proutku přišly o všechny své listy. Byla by to globální katastrofa, v tom se jistě shodneme. Dnes už je ale v lidských silách zkonstruovat funkční umělý list, který produkuje za pomocí slunečního záření z vody vodík a kyslík a dokonce v i glukózu z CO₂. Zní to jako Sci-fi? Ani náhodou!

Vědci z Arizona State University (ASU) zveřejnili pokroky ve svém několikaletém výzkumu zabývajícím se vývojem prototypu funkčního umělého listu. Jak byli úspěšní, a v čem je právě jejich umělý list inovativní si osvětlíme v tomto článku. Svůj funkční prototyp umělého listu vědci představili v únorovém čísle Nature Chemistry. Po tom co byl pochopen princip fungování fotosyntézy, se vědci začali zabývat myšlenkou zkonstruování umělého listu, který by byl schopný, podobně jako živý list, rozkládat vodu na kyslík a vodík za pomoci světelné energie. Právě vodík je v současné době stále častěji skloňován v souvislosti s jeho využitím jako alternativního paliva. Neustále se tedy hledá levná, ekologicky šetrná metoda jak tento prvek získat.

Společnost potřebuje levný vodík.

„V počátcích našeho výzkumu nepracoval náš umělý list příliš efektivně. Naše diagnostická měření ukázala, že problém  nastal ve chvíli, kdy spolu, stejně jako v přírodním listu, interagují dvě chemické reakce, rychlá a pomalá. Tento moment byl kritický a měl velmi nízkou účinnost“, říká profesor Thomas Moore, vedoucí týmu. „Rychlá reakce je ta, při které se přeměňuje světelná energie na energii chemickou a pomalá je ta, při které je chemická energie využita na přeměnu vody na kyslík a vodík.“

Vědci se tedy podrobněji podívali, jak to dělá sama příroda a jak se s touto kritickou fází, kdy se voda oxiduje na kyslík, vypořádala.

„Byl to úžasný a vzrušující moment, kdy jsme nahlédli pod pokličku samotné přírodě a objevili, jak to dělá. Ve skutečnosti totiž využívá k propojení obou reakcí velmi specifický přechodný krok nebo chcete-li spojku“, říká prof. Moore. „V něm využívá něco, co bychom mohli popsat jako molekulární relé pro přenos elektronů mezi atomy. Jedna polovina relé je propojena s rychlou reakcí, takovým způsobem, že má druhá polovina relé dostatek času na efektivní oxidaci vody“. Na základně tohoto průlomového objevu tým prof. Moora navrhl umělou náhražku přírodního „relé“ a byli po právu odměněni výrazným zlepšením jejich prototypu umělého listu.

Vlastní princip fungování relé vědci pochopili s pomocí rentgenové krystalografie, optické a NMR spektroskopie. Kombinace těchto metod odhalila geniální fungování „relé“ a určila lokální elektromagnetické prostředí elektronů a protonů v srdci relé. S využitím již známé teorie spřažení přenosu protonů s elektrony pak byli vědci schopni identifikovat unikátní podstatu relé. Tím byla neobvykle krátká vazba mezi atomem vodíku a dusíku, která usnadnila správné fungování relé. Objevili také jemné magnetické rysy elektronové struktury umělého relé, které víceméně odrážely svůj přírodní protějšek.

Nejenom, že tedy tým dokázal vylepšit dosavadní prototyp umělého listu, ale umožnil lépe pochopit fungování přírodního fotosyntetického systému. Tyto nové převratné poznatky by mohly vědcům pomoci vyvinout umělé listy umožňující udržitelně spoutat sluneční energii potřebnou pro vytvoření potravy (vlákniny) z CO₂, paliva (vodíku) z vody pro stále rostoucí populaci naší planety.

Autor: Ing. Jiří Bárta PhD.

Líbil se Vám tento článek? Doporučte jej svým známým.

Použité zdroje:

Arizona State University College of Liberal Arts and Sciences. "Artificial leaf jumps developmental hurdle." ScienceDaily. ScienceDaily, 18 February 2014.

Jackson D. Megiatto Jr, Dalvin D. Méndez-Hernández, Marely E. Tejeda-Ferrari, Anne-Lucie Teillout, Manuel J. Llansola-Portolés, Gerdenis Kodis, Oleg G. Poluektov, Tijana Rajh, Vladimiro Mujica, Thomas L. Groy, Devens Gust, Thomas A. Moore, Ana L. Moore. A bioinspired redox relay that mimics radical interactions of the Tyr–His pairs of photosystem II. Nature Chemistry, 2014; DOI: 10.1038/nchem.1862