بحث جديد يطور حلول الطاقة النظيفة

أصبحت تلبية احتياجات المجتمع المتزايدة من الطاقة تحديًا مروعًا للبشرية. من المتوقع أن يتضاعف الطلب على الطاقة تقريبًا بحلول عام 2050 ، في حين أن آثار تغير المناخ ، الناجم عن حرق الوقود الأحفوري ، تسبب بالفعل في إحداث فوضى في شكل موجات الجفاف وحرائق الغابات والفيضانات والكوارث الأخرى.

يعتقد غاري مور ، الباحث في مركز Biodesign للاكتشافات الإنشائية التطبيقية ، أن الكيمياء ستلعب دورًا حيويًا في تطوير حلول نظيفة لمعضلة الطاقة المتصاعدة في العالم.

في بحث جديد ظهر على غلاف مجلة ChemElectroChem ، يصف مور وزملاؤه استخدام الجزيئات الحلقية الشكل المعروفة باسم البورفيرين. تمت ملاحظة هذه الجزيئات ، من بين أكثر الأصباغ وفرة في الطبيعة ، لقدرتها على تسريع أو تحفيز التفاعلات الكيميائية ، بما في ذلك التفاعلات الهامة التي تحدث في الأنظمة الحية.

من بين هذه التفاعلات تحويل الطاقة المشعة من الشمس إلى طاقة كيميائية مخزنة في الروابط الجزيئية ، وهي عملية تستغلها النباتات وميكروبات التمثيل الضوئي. يمكن بعد ذلك استخدام هذه الطاقة الكيميائية لتغذية استقلاب الكائن الحي ، من خلال عملية التنفس الخلوي.

يأمل باحثون مثل مور في أخذ صفحة من كتاب اللعب في الطبيعة ، وإنشاء نظائر اصطناعية للعمليات الطبيعية لعملية التمثيل الضوئي. تصف الدراسة الجديدة البورفيرين الاصطناعي المحتوي على مادة الدييرون وتستكشف إمكاناته كمحفز فعال.

يقول مور: “بدلاً من استغلال منتجات التمثيل الضوئي الطبيعي ، يمكننا أن نستلهم من معرفتنا بالتمثيل الضوئي لرائد مواد وتقنيات جديدة بخصائص وقدرات تنافس تلك الخاصة بنظيراتها البيولوجية”.

تم العثور على البورفيرينات ومثيلاتها الهيكلية بكثرة في جميع أنحاء العالم البيولوجي. تعمل على ربط مجموعة من الأيونات المعدنية لأداء مهام خلوية بعيدة المدى. جزيئات الكلوروفيل ، على سبيل المثال ، تربط المغنيسيوم – وهي مرحلة كيميائية حاسمة في عملية التمثيل الضوئي للنبات ، بينما يساعد الهيم – وهو حديد يحتوي على البورفيرين – على تنظيم نقل الأكسجين الجزيئي وثاني أكسيد الكربون ويوفر سلاسل نقل الإلكترون الضرورية الضرورية للتنفس الخلوي. بسبب دورها القيادي في عمليات الحياة ، فإن تشوهات البورفيرين مسؤولة عن مجموعة من الأمراض الخطيرة.

يمكن أيضًا استخدام البورفيرينات كمحفزات في الأجهزة الاصطناعية المعروفة باسم الخلايا الكهروكيميائية ، والتي تحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية ، أو العكس. على الرغم من إمكانية تخزين الطاقة المشعة من الشمس ضمن أنواع تقليدية من البطاريات ، إلا أن هذه التطبيقات محدودة بسبب كثافتها منخفضة الطاقة مقارنة بالوقود المستخدم في النقل الحديث.

يمكن لجهود مور لتصميم أنظمة التمثيل الضوئي الاصطناعية أن توفر قطعة ثمينة من أحجية الطاقة المتجددة ، وتنتج أنواعًا من الوقود “غير الأحفوري” بالإضافة إلى مجموعة من السلع المفيدة.

ستسمح هذه الأجهزة بالتقاط الطاقة الشمسية وتخزينها لاستخدامها متى وأينما كانت هناك حاجة إليها ويمكن بناؤها باستخدام مواد كيميائية أرخص بكثير وأكثر وفرة من المواد المستخدمة حاليًا لتطبيقات الطاقة الشمسية التقليدية.