In een geslaagde poging het fotosynthetische systeem na te bootsen dat planten en sommige bacteriën gebruiken, hebben Japanse wetenschappers een belangrijke mijlpaal bereikt: honderd procent efficiënte energieoverdracht. Wel is dit nog maar één schakel in het totale lichtoogstsysteem, zij het wel een erg belangrijke. Als alle stappen goed werken, kunnen we met deze kunstmatige fotosynthese veel efficiënter dan planten dat kunnen, brandstof voor auto’s maken uit bijvoorbeeld water en kooldioxide.
Natuurlijk lichtoogstsysteem bereikt vrijwel 100%
De onderzoekers, geleid door Shinsuke Takagi van de Tokyo Metropolitan University en PRESTO van het Japan Science and Technology Agency, hebben hun werk september 2011 gepubliceerd in het scheikundige vakblad Journal of the American Chemical Society. In lichtoogstsystemen komen veel stappen voor waarin energie van de ene component naar de andere wordt overgedragen, aldus Takagi. Stel dat er vijf stappen zijn en elke stap heeft een efficiëntie van 90%, dan wordt er in totaal maar (0,90)5, dus ongeveer 59% van de totale energie overgedragen. Jammer, uiteraard.
In een natuurlijk lichtoogstsysteem, bijvoorbeeld de bladgroenkorrels in groene planten, raakt een lichtdeeltje de korrel. Deze hele korrel is kwantumverstrengeld, waardoor met vrijwel 100% efficiëntie de energie van dit foton wordt overgedragen aan het biochemische systeem dat de plant gebruikt om deze energie om te zetten in suikers. Dit lichtoogstsysteem bestaat uit chlorofylmoleculen die regelmatig gerangschikt zijn en zo de energie overdragen naar het reactiecentrum. In een kunstmatig lichtoogstsysteem, of kunstblad, proberen onderzoekers hetzelfde te bereiken met functionele kleurstofmoleculen.
Door het regelmatige patroon (rechts) wordt vrijwel 100% efficiëntie bereikt bij de energieoverdracht.
Zelfassemblerende porfyrine op kleilaagje
Dit bleek lastig. Porfyrine, de kleurstof die de onderzoekers gebruikten, heeft de vervelende eigenschap op onregelmatige wijze samen te klonteren of zich te splitsen op een kleioppervlak. Als de moleculen te dicht op elkaar zitten, treden er ook andere, ongewenste interacties op (elektronuitwisselingen, fotochemische reacties) waardoor energie weglekt. Zitten de moleculen te ver van elkaar, dan vallen de ‘aangeslagen’ porfyrinemoleculen terug in hun grondstaat voordat ze de energie aan een buurmolecuul hebben kunnen overdragen.
Hiervoor gebruikten de onderzoekers een slimme nieuwe techniek. Ze stelden het kleiopppervlak zo samen dat hierop op regelmatige plaatsen elektrisch negatief geladen plekken voorkomen, die vervolgens de positief geladen delen in de porfyrinemoleculen aantrokken. Dit soort zelfassemblage is niet nieuw, maar gebeurt gewoonlijk door de moleculen onderling. Het resultaat: de moleculen gaan keurig op precies de juiste afstanden van elkaar zitten. Hiermee maakten ze een oude droom waar: honderd procent efficiënte energieoverdracht. Dit maakt porfyrinekleurstof en kleioppervlakken een interessant uitgangsmateriaal voor kunstmatige bladeren.
Kunstmatige bladeren: de oplossing voor het olietekort?
De meest cruciale stap blijft uiteraard het opvangen van zoveel mogelijk golflengtes licht. In Takagi’s syteem komen maar twee verschillende kleurstoffen voor, waardoor maar een beperkt deel van het zonlicht kan worden opgevangen. Bij planten is dat ook zo, daarom zijn ze groen in plaats van zwart. In feite gebruiken planten maar de helft van alle straling. Takagi’s team wil nu meer verschillende pigmenten gebruiken, zodat alle zonlicht geoogst wordt. Als dit systeem wordt uitgebreid met een deel waarin fotochemische reacties plaatsvinden, bijvoorbeeld het splitsen van water in waterstof en zuurstof, kan je volgens de onderzoekers echt spreken van een “anorganisch blad”.
Zet hier bijvoorbeeld woestijnen mee vol en je hebt een overvloedige bron van brandstoffen. Het voordeel van chemische brandstoffen boven elektriciteit is dat ze veel makkelijker zijn op te slaan en ook een hogere energiedichtheid hebben dan de batterijen tot nu toe. En nu steeds meer Japanners na de Fukushima-ramp hun buik vol hebben van kernenergie, zou dit wel eens snel in de praktijk omgezet kunnen worden.
Bronnen
Artificial light-harvesting method achieves 100% energy transfer efficiency, PhysOrg (2011)
Yohei Ishida et al., Efficient Excited Energy Transfer Reaction in Clay/Porphyrin Complex toward an Artificial Light-Harvesting System, JACS (2011)
