علماء للجزيرة نت: ابتكرنا "ورقة شجر صناعية" تحول الضوء إلى وقود - الأول نيوز

عرض باحثون في جامعة كامبردج طريقة بسيطة لصناعة المواد الكيميائية التي تقوم عليها منتجاتنا اليومية، من البلاستيك والدهانات إلى مستحضرات التجميل والأدوية، من دون الاعتماد على الوقود الأحفوري، وفقا لنتائج دراسة جديدة نشرت يوم 10 أكتوبر/تشربن الأول في مجلة "سيل-جول".

صنع الفريق "ورقة صناعية" صغيرة تقلد عملية التمثيل الضوئي التي تستخدمها النباتات لتحويل ضوء الشمس إلى طاقة.

يستخدم هذا الجهاز الضوء والماء وثاني أكسيد الكربون لإنتاج الفورمات، وهو وقود ولبنة أساسية للعديد من التفاعلات الكيميائية.

تعتمد صناعة المواد الكيميائية في الغالب على النفط والغاز كمادة أولية، ولذلك تسبب نحو 6% من الانبعاثات العالمية. ومن ثم، يقول المؤلفون إن نهجهم يمكن أن يساعد في المستقبل في التخلص من الوقود الأحفوري في هذا القطاع المهم عبر توفير نقطة انطلاق نظيفة للعديد من المنتجات.

تصميم هجين حيوي غير سام

يقول قائد الفريق البحثي إرفين رايسنر الأستاذ بقسم يوسف حميد للكيمياء بجامعة كامبردج: "إذا أردنا بناء اقتصاد دائري ومستدام، فصناعة الكيميائيات تمثل مشكلة كبيرة ومعقدة يجب التعامل معها. علينا إيجاد طرق لإزالة الاعتماد على الوقود الأحفوري من هذا القطاع الذي ينتج سلعا يحتاجها الجميع. إنها فرصة هائلة إذا أحسنّا استغلالها".

كانت الأوراق الصناعية القديمة تعتمد غالبا على مواد سامة أو غير مستقرة، أو تحتاج إلى مواد كيميائية إضافية لتستمر في العمل، لكن الجهاز الجديد يجمع بين أشباه موصلات عضوية (مواد كربونية تلتقط الضوء) وإنزيمات مأخوذة من بكتيريا.

ومن ثم، يتجنب هذا التصميم الذي يمثل هجينا حيويا العناصر السامة، ويعيش مدة أطول، ويعمل من دون إضافات تقلل الكفاءة.

إعلان

يوضح رايسنر في تصريحات للجزيرة نت: "إذا تخلصنا من المكونات السامة وبدأنا نستخدم عناصر عضوية، سنحصل على تفاعل نظيف وناتج واحد فقط، بلا تفاعلات جانبية غير مرغوبة. هذا الجهاز يجمع بين أشباه الموصلات العضوية القابلة للضبط وغير السامة، والإنزيمات العالية الانتقائية والكفاءة".

يستخدم النظام ضوء الشمس لدفع إلكترونات نحو الإنزيمات، فتقوم إما بتقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين، أو بتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى فورمات. وبعد ذلك استخدم الفريق الفورمات مباشرة في تفاعل لصناعة مركب دوائي مهم بنقاوة وعائد مرتفعين، من دون أي كهرباء إضافية.

حل معضلة قديمة

بينما تحتاج كثير من الأنظمة المعتمدة على الإنزيمات إلى محاليل موقية لإبقائها فعالة، لكنها قد تتفكك سريعا وتقلل الاستقرار، حل الفريق هذه المشكلة عبر تضمين إنزيم مساعد داخل طبقة تيتانيا مسامية، وبذلك استطاع النظام العمل في محلول بيكربونات بسيط مشابه لمياه الصودا، بدلا من إضافات غير مستدامة.

يوضح رايسنر أن الأمر يشبه أحجية كبيرة، كأن يكون لدينا مكونات عديدة نحاول جمعها لهدف واحد، ولذلك استغرق الفريق وقتا طويلا لفهم كيفية تثبيت هذا الإنزيم على القطب.

ويضيف: "بدراسة عمل الإنزيم بدقة، تمكنا من تصميم مواد الطبقات المختلفة في جهازنا الشبيه بالشطيرة. هذا التصميم جعل الأجزاء تعمل معا بكفاءة أكبر، من المقياس النانوي الصغير حتى الورقة الصناعية كاملة".

وفي الاختبارات، أعطى الجهاز تيارات عالية ووجّه تقريبا كل الإلكترونات إلى تفاعلات صنع الوقود، أي انتقائية شبه كاملة، كما أنه عمل أكثر من 24 ساعة، أي أكثر من ضعفي عمر كثير من التصاميم السابقة التي استخدمت ماصات ضوئية غير عضوية.

وإذ إن طبقة التقاط الضوء عضوية وليست معادن سامة، يقول الفريق إن المنصة أكثر أمانا وقابلة للتطوير.

وإذا تم تطويره أكثر، قد يوفر هذا النهج للمصانع مصدرا شمسيا وخاليا من الوقود الأحفوري لصنع المواد الأساسية في صناعات مثل الأدوية والأسمدة والبلاستيك والدهانات والإلكترونيات ومواد التنظيف.