Ett konstgjort blad som kan skörda energi från solen snabbare än ett naturligt kan leda till en ny generation av förnybar energi och medicinsk teknik.

Under hundratals miljoner år, evolutionen har förfinat en process som gör att växter kan använda solens energi för att förvandla koldioxid och vatten till det söta bränslet de behöver för att växa.

Den eleganta serien av biokemiska reaktioner som är involverade i denna process är några av de grundläggande byggstenarna i livet på denna planet.

Men nu har forskare besegrat naturen i sitt eget spel genom att skapa ett semi-artificiellt blad som innehåller några av komponenterna som har finslipats av evolutionen för att producera en enhet som är upp till sex gånger effektivare.

"När de naturliga komponenterna i fotosyntesen ingår i konstgjorda enheter, dessa enheter överträffar elektronöverföringsförmågan som finns i den naturliga miljön, sa Dr Nicolas Plumeré, en kemist vid Ruhr-Universitetet i Bochum i Tyskland.

Han och hans kollegor, som en del av det EU-finansierade PHOTOTECH-projektet, använde ett protein som finns i riktiga löv som är ansvarigt för att transportera elektroner under fotosyntesen för att skapa deras semi-konstgjorda blad.

"Under ljus, ett protein som finns i naturliga löv eller alger kan producera cirka 50 högenergielektroner varje sekund, "förklarade Dr Plumeré." När samma protein införlivas i konstgjorda löv, upp till 300 högenergielektroner produceras varje sekund."

Dr Plumeré hoppas att detta tillvägagångssätt så småningom kan ge nya, enkla och billiga solcellsteknologier – även känd som fotovoltaiska celler – baserad på fotosyntes, även om han varnar tekniken är fortfarande år från att hitta kommersiella applikationer.

"Gröna solceller i stor skala kan helt enkelt målas på en vägg för att samla in solenergi direkt vid användningsstället, " sa han. Tekniken kan också användas för att driva små medicinska apparater, såsom sensorer implanterade i kontaktlinser för att övervaka biomarkörer i tårar.

Eftersom proteinet som behövs för enheterna kan erhållas från alger, den kan tillverkas till en låg kostnad jämfört med de sällsynta jordartsmetaller som behövs för nuvarande solpanelsceller.

"Dessa fotosyntetiska material kan odlas på avloppsvatten och de kemiska grundämnena som är nödvändiga för deras montering är oändligt tillgängliga, " sade Dr Plumeré. "Som sådan, de öppnar ett stort löfte för framtida enheter för hållbar energiskörd, som själva kan tillverkas på ett hållbart sätt."

Att producera apparater som kan generera förnybar energi på ett miljövänligt sätt kan spela en nyckelroll för att hjälpa till att ersätta planetens beroende av förorenande fossila bränslen. Men den intermittenta karaktären hos sådana förnybara energikällor gör denna uppgift svår. Hur, till exempel, kan lamporna hållas tända när solcellerna inte producerar el på natten?

Klyvande vatten

Svaret ligger i att lagra den energi som produceras av sådana förnybara källor, även om det hittills moderna batterier och andra förvaringsmöjligheter erbjuder endast en begränsad möjlighet att göra detta. Men forskare tror att fotosyntes också kan ge en lösning här.

"Det mest effektiva sättet att lagra förnybar energi är att producera ett bränsle som väte, sa Dr Vincent Artero, en kemist vid universitetet i Grenoble Alpes och CEA-Grenoble, Frankrike. "Eftersom solenergi är den mest förekommande förnybara energin, varför inte utveckla en process som direkt fångar solljus och omvandlar det till bränsle?"

Dr Artero och hans team har kopierat ämnesomsättningen hos några alger som använder solenergi för att dela vatten till väte och syre. Finansieras av EU:s europeiska forskningsråd, Projektet PhotocatH2ode syftar till att införliva bioinspirerade färgämnen och katalysatorer i en fotoelektrokemisk cell, producerar ett slags konstgjorda löv som kan generera väte från solljus och vatten.

"Vårt tillvägagångssätt använder molekylära komponenter, som färgämnen, att absorbera solljus och katalysatorer för att uppnå väteproduktion, immobiliserad på genomskinliga elektroder." sa Dr Artero. "Detta arbete öppnar nya horisonter för utvecklingen av nya tekniker för väteproduktion."

Härmar naturen

Men att förstå hur alger, växter och bakterier kan omvandla ljusenergi på molekylär nivå kan leda till ännu effektivare system för artificiell ljusskörd. Ett team som arbetar med det EU-finansierade ENLIGHT-projektet utvecklar nya teoretiska och beräkningsmodeller för att reda ut hur dessa komplexa men unika system fungerar.

"I dessa organismer, ljusskörd är den första, grundläggande steg i fotosyntesen, sa professor Benedetta Mennucci, en kemist vid universitetet i Pisa i Italien, som leder ENLIGHT. "De utvecklade modellerna kan nu tillämpas på olika typer av organismer för att förstå om naturen har optimerat vissa specifika egenskaper - gemensamma för alla system - som kan efterliknas i konstgjorda."

Detta arbete kan visa sig vara avgörande för att driva ett framväxande forskningsområde:soldriven kemi. Detta syftar till att efterlikna naturen genom att använda solenergi direkt för produktion av bränslen, kemikalier och material.

"Vi skulle kunna ersätta alla våra nuvarande metoder för att producera bränslen och råvarukemikalier med nya som använder vatten, kväve och koldioxid som utgångsmaterial, tillsammans med ljus eller förnybar el som energiinsats, "sade Dr Artero." Detta skulle bli en revolution för Europa. "