Kimyagerler, Doğal Fotosentezden 10 Kat Verimli Bir "Yapay Fotosentez" Yöntemi Geliştirdi!

Geçtiğimiz iki asırdır insanlar, enerji elde edebilmek için, yüz milyonlarca yıldır süregelen fotosentezin, uygun ve enerji bakımından yoğun bir maddeye paketlemesi sayesinde mümkün olan fosil yakıtlara güvendiler. Ancak bu arz sınırlı ve fosil yakıt tüketiminin Dünya'nın iklimi üzerinde muazzam olumsuz etkisi var. Chicago Üniversitesi'nden kimyager Wenbin Lin şöyle diyor:

Birçok insanın anlamadığı en büyük zorluk, kullandığımız enerji miktarını düşünecek olursak, doğanın bile böylesi bir tüketime yönelik herhangi bir çözümü olmamasıdır. Fotosentez bile o kadar iyi değil! Bu yüzden doğadan daha iyisini yapmak zorunda kalacağız ve bu korkutucu.

Bilim insanlarının araştırdığı olası bir seçenek, "yapay fotosentez": Yani ihtiyaç duyduğumuz türden yakıtları kendimiz üretmek için bir bitkinin sistemini yeniden işlemek. Ancak tek bir yapraktaki kimyasal mekanizmalar bile inanılmaz derecede karmaşıktır ve kendi amaçlarımıza çevirmek o kadar da kolay değildir.

Chicago Üniversitesi'ndeki altı kimyager tarafından sürdürülen ve Nature Catalysis dergisinde yayınlanan bir çalışma, önceki yapay sistemlerden 10 kat daha verimli olan bir yapay fotosentez yöntemi sunuyor.^[1] Karbondioksit ve sudan karbonhidrat üreten normal fotosentezin aksine, yapay fotosentez etanol, metan veya diğer yakıtları da üretebilir.

Yapay fotosentezin arabanıza düzenli olarak yakıt sağlaması için halen uzun bir yolu var; ancak yine de bu yöntem, bilim insanlarına keşfedilecek yeni bir yön sunuyor ve daha kısa vadede diğer kimyasalların üretimi için faydalı olabilir. Chicago Üniversitesi Kimya Profesörü ve çalışmanın kıdemli yazarı Lin, şöyle diyor:

Bu, mevcut sistemler üzerine çok büyük bir gelişme katıyor; ancak aynı derecede önemli olarak, bu yapay sistemin moleküler düzeyde nasıl çalıştığına dair çok net bir anlayış ortaya koyabildik - ki bu, daha önce başarılamamıştı.

Başka Bir Şeye İhtiyacımız Var!

Lin, şöyle devam ediyor:

Doğal fotosentez olmasaydı, biz de burada olmazdık. Fotosentez, Dünya'da soluduğumuz oksijeni ve yediğimiz yiyecekleri mümkün kıldı. Ama asla araba kullanmamız için yakıt tedarik edecek kadar verimli olmayacak; bu yüzden başka bir şeye ihtiyacımız var.

Sorun şu ki, fotosentez, canlı vücuduna yakıt sağlamak için harika olan karbonhidratları oluşturabilecek biçimde evrimleşti; çok daha yoğun enerji paketlerine ihtiyaç duyan arabalarımızı değil. Bu nedenle, fosil yakıtlara alternatifler yaratmak isteyen araştırmacılar, etanol veya metan gibi daha enerji yoğun yakıtlar oluşturmak için süreci yeniden tasarlamak zorundalar.

Doğada fotosentez, bir dizi çok karmaşık protein ve pigment grubu tarafından gerçekleştirilir. Su ve karbon dioksit alırlar, molekülleri parçalara ayırırlar ve atomları yeniden düzenleyerek, uzun bir hidrojen-oksijen-karbon bileşikleri dizisi olan karbonhidratları oluştururlar. Bununla birlikte bilim insanlarının, metan olarak da bilinen enerji yüklü bir karbon çekirdeğini (CH₄) çevreleyen sadece hidrojen ile farklı bir düzenleme üretmek için reaksiyonları yeniden çalışması gerekiyor.

Bu yeniden mühendislik, göründüğünden çok daha zordur; insanlar, doğanın verimliliğine yaklaşmak için on yıllardır onunla uğraşıyorlar.

Lin ve laboratuvar ekibi, bugüne kadar yapay fotosentez sistemlerinin içermediği bir şeyi eklemeyi deneyebileceklerini düşündüler: amino asitler.

Ekip, bir organik bağlayıcı moleküller tarafından bir arada tutulan metal iyonlarından oluşan bir bileşik sınıfı olan metal-organik çerçeve veya MOF adı verilen bir malzeme türüyle başladı. Daha sonra, kimyasal reaksiyonlar için maksimum yüzey alanını sağlamak için metal-organik çerçeveleri tek bir katman olarak tasarladılar ve her şeyi elektronları taşımak için bir kobalt bileşiği içeren bir çözeltiye batırdılar. Son olarak, metal-organik çerçevelere amino asitler eklediler ve hangisinin en iyi sonucu verdiğini bulmaya çalıştılar.

Reaksiyonun her iki yarısında da, yani suyu parçalayan süreçte de karbon dioksite elektron ve proton ekleyen süreçte de iyileştirmeler yapabildiler. Her iki durumda da amino asitler, reaksiyonun daha verimli ilerlemesine yardımcı oldu.

Ne var ki önemli ölçüde geliştirilmiş performansa rağmen, yapay fotosentezin, yaygın kullanıma uygun olacak kadar yakıt üretmeden önce kat etmesi gereken uzun bir yol var. Lin, şöyle anlatıyor:

Şu anda bulunduğumuz yerde, tüketimimiz için yeterli miktarda metan üretmek için sistemimizi fazlasıyla ölçeklendirmemiz gerekecek.

Bu buluş, gözle görülür bir etkisi olması için çok fazla yakıt yapmanız gereken "araba yakıtları" gibi alanlarda şimdilik olamasa da, diğer kimyasal reaksiyonlara geniş çapta uygulanabilir. Örneğin farmasötik ilaçlar ve naylonlar için gereken başlangıç malzemeleri gibi çok daha küçük miktarlarda gereken bazı moleküllerin üretiminde çok faydalı olabilir. Lin, son olarak şöyle diyor:

Bu temel süreçlerin çoğu aynı. İyi bir kimya geliştirirseniz, bu ürettiklerinizi birçok sisteme bağlayabilirsiniz.