الأوراق الاصطناعية: البناء الضوئي الاصطناعي يعمل بكفاءة العملية الحقيقية

لقد أودى بنا شرهنا الدائم لاستهلاك الطاقة إلى حالة من الفوضى، إذ ينبعث من احتراق الوقود الأحفوري غازات دفيئة تتسبب في تسخين الغلاف الجوي. فهذا الوضع كافٍ ليشعرك بالغيرة من النباتات التي تنتج طاقتها الخاصة بها من خلال عملية البناء (التمثيل) الضوئي Photosynthesis، فتستهلك الغاز المسبب للاحتباس الحراري مثل ثاني اكسيد الكربون. لذا، إن استطعنا معرفة كيف نحاكي هذه الحيلة على نطاق أوسع، فسنتمكن من تسييل ضوء الشمس بفعالية لإنتاج وقود نظيف وصديق للبيئة.

للأسف، تعتبر عملية البناء الضوئي تفاعلاً كميائياً يصعب نسخه، فهي تنطوي على الكثير من العمليات والمراحل بما في ذلك امتصاص ضوء الشمس، فصل جزيئات الماء لإنتاج البروتونات، ثم ربط هذه البروتونات بذرات الكربون داخل ثاني اكسيد الكربون لإنتاج الوقود في نهاية الأمر على شكل سكريات. في الطبيعة، تقوم بهذه العمليات بروتونات تطورت على مدار مئات الملايين من السنين، ومع ذلك، تبلغ نسبة قدرتها على تحويل طاقة ضوء الشمس إلى وقود واحد في المئة فقط في أحسن الأحوال.

قبل عقد من الزمن، قطع الكيميائي دانيال نوسيرا من جامعة هارفرد شوطاً كبيراً عندما طور عوامل محفزة Catalysts تعتمد على النيكل والكوبالت يمكنها تفكيك جزيئات الماء. ولكن هذا جزء واحد فقط من عملية محاكاة البناء الضوئي وقد تعثر التقدم منذ ذلك الحين.

تدريجياً بدأ الناس بإدراك أنه بدلاً من محاكاة عملية البناء الضوئي من الصفر، يمكن الجمع بين أفضل ما في الكيمياء والأحياء في ورقة اصطناعية. عادةً، تقوم هذه الأوراق باستخدام مواد تمتص ضوء الشمس إضافة إلى البروتونات الطبيعية البارعة في جمع جزيئات الوقود سوياً. مؤخراً، استخدم أحد الفرق بجامعة كيمبدريدج تحت قيادة إيروين ريزنر Erwin Reisner مادة تدعى بيروفسكيت Perovskite لجمع الضوء وربطه بإنزيم يدعى فورمات ديهيدروجينيز Formate dehydrogenase. تحول الورقةُ الاصطناعية الناتجة الضوءَ إلى فورمات أي مادة كيمائية يمكن استخدمها في خلايا الوقود، بنسبة كفاءة تقترب من الواحد في المئة، ما يعادل نسبة ما تحققه الطبيعة.

تبنى نوسيرا نهجاً مماثلاً، ففي عام 2016، كشف الستار عن نظام تستطيع عوامله المحفزة التي تفصل جزيئات الماء إنتاج البروتونات والإلكترونات وإطعامها إلى بكتيريا معدلة جينياً. وقد يستخدم هذا النظام ضوء الشمس لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود وكتلة حيوية بكفاءة تقترب من 11 في المئة. يقول نوسيرا: «أجرينا عملية بناء ضوئي اصطناعية كاملة تفوق كفاءة العملية الطبيعية بنسبة 10 إلى 100».

كان هذا هو أحد التحديات المهمة التي استطاع الكيميائيين تخطيها بصورة ما. يقول نوسيرا: «هي ليست مشكلة كيميائية بعد الآن، كما أنها ليست حتى مشكلة تكنولوحية». ويعتقد أن سبب عدم استخدامنا للوقود الناتج من الورق الاصطناعي في سيارتنا يكمن في نقص الإرادة لإيجاد البنية التحتية اللازمة لهذا الأمر.

الكيمياء ستغير العالم

تفتح لنا الطرق الجديدة للتعامل مع الجزيئيات أبواباً مختلفة للتقدم؛ مثل امتصاص الغازات المسببة للاحتباس الحراري من الهواء، واختراع مواد قابلة لإعادة التدوير بلا نهاية، وصنع حياة صناعية.

فيما يلي سبعة من أكثر الابتكارات إذهالاً:

• الأوراق الاصطناعية: البناء الضوئي الاصطناعي يعمل بكفاءة العملية الحقيقية.

• سيؤدي ظهور الآلات الجزيئية إلى صنع مواد مذهلة جديدة

• طرق جديدة لامتصاص الميثان قد توفر لنا الوقت الضروري في صراعنا مع التغيير المناخي

• كيفية صناعة بطاريات مستدامة لا تدمر الكوكب

• المواد البلاستيكية القابلة لإعادة التدوير بلا نهاية قد تحل أزمة النفايات

• الكيمياء الآلية: الآلات تكتشف أدوية جديدة

• كيف يمكن للذكاء الاصطناعي مساعدتنا على معرفة كيف بدأت الحياة

بقلم كاثرين ساندرسون

ترجمة د. محمد الرفاعي

.2022, New Scientist, Distributed by Tribune Content Agency LLC©