Un nuovo sistema made in Japan che imita la fotosintesi naturale

Foglie artificiali che imitano la fotosintesi per “raccogliere” la luce

[27 Novembre 2014]

Nello studio “Efficient light harvesting via sequential two-step energy accumulation using a Ru-Re5 multinuclear complex incorporated into periodic mesoporous organosilica”, pubblicato su Chemical Science, un team di ricercatori giapponesi del Tokyo Institute of Technology e del Toyota Central R&D Labs, presentano un nuovo sistema di light-harvesting, basato sui principi della fotosintesi naturale.

Gli scienziati – si legge nella nota che hanno inviato a greenreport.it – stanno cercando da tempo di imitare il modo in cui le piante assorbono l’energia dal sole attraverso la fotosintesi: «Le piante sono in grado di assorbire i fotoni della luce solare, anche debole utilizzando “antenne light” a base di molecole di clorofilla nelle foglie – spiegano i ricercatori giapponesi – . Questa energia assorbita viene poi trasferita a centri di reazione in cui le piante creano gli zuccheri che usano come cibo. Finora, i sistemi artificiali costruiti per replicare questo processo naturale super-efficiente si sono limitati ad un unico centro di reazione con un paio di assorbitori di luce, e non sono stati in grado di assorbire abbastanza energia da fonti di luce con bassi livelli di fotoni, come la luce del sole.

Il team guidato da  Osamu Ishitani, del  Tokyo Institute of Technology, ha creato un efficiente sistema artificiale di “raccolta” della luce che si basa sul processo naturale in due fasi della fotosintesi. Il nuovo sistema utilizza “foglie” artificiali come assorbitori di luce, che rilasciano  energia attraverso un complesso metallico per alimentare un accettore finale di energia.

«E’ difficile realizzare un efficiente convertitore di energia solare utilizzando dispositivi molecolari, come i cosiddetti fotocatalizzatori perché le molecole sono così piccole e la luce solare è così diluita – spiega Ishitani – Tali sistemi richiedono un gran numero di dispositivi molecolari, che sono costosi e che richiedono tempo per farli. Introducendo dispositivi con la capacità di raccogliere la luce per convertirla in energia solare sarebbe una possibile soluzione».

Ishitani ed il suo team  hanno capito che la costruzione di un sistema con più assorbitori di luce che alimentano un numero minore di “antenne” di relè energetici collegati ad un accettore di energia consentirebbe di assorbire più fotoni dalla luce “diluita”, perdendo allo stesso tempo meno energia lungo la strada.

I ricercatori hanno quindi  creato un dispositivo con 440 “foglie”  utilizzando tubi prodotti dalla cosiddetta organosilica periodica mesoporosa (PMO) e bifenile (Bp) light-absorbing. I complessi PMO-Bp sono collegati a cinque bastoni metallici di renio che trasferiscono l’energia luminosa raccolta dai PMO-Bp direttamente ad una sfera di rutenio centrale. In questo modo, i fotoni dalla sorgente luminosa sono concentrati in maniera molto efficiente, prima attraverso i bastoncini renio e quindi nel centro di reazione del rutenio, con poca perdita di energia durante il tragitto.

Ishitani  ed il suo team hanno condotto una serie di test utilizzando il nuovo sistema scoprendo che  il centro di reazione del loro dispositivo è in grado di emettere una forte luce alimentato dall’energia fotonica dalle “foglie” artificiali.

Il team sostiene  che «Il nuovo sistema potrebbe essere utilizzato per costruire fotocatalizzatori migliori, che possono essere utilizzati per diversi scopi compresa la riduzione della CO2 e l’ossidazione fotocatalitica nell’acqua», ma concludono che «Ci vorrà un po’ di tempo prima che la fotosintesi artificiale diventi comune in tali sistemi, perché il processo richiede una ulteriore considerevole ricerca e sviluppo».