En tvålfilm med kemiskt distinkta sidor representerar det senaste genombrottet inom forskning ledd av kemisten Sylvestre Bonnet. Denna unika tvålfilm, tillsammans med en innovativ enhet som kan kontinuerligt producera nya tvålfilmer, utgör en avgörande pusselbit för utvecklingen av artificiell fotosyntes. Studien publiceras i Physical Review Letters .
Växter har en unik förmåga:förse dem med tillräckligt med syre och vatten, och med hjälp av solljus omvandlar de dessa ingredienser till syre och socker, deras energikälla. Forskare undersöker sätt att efterlikna denna process, som syftar till att producera hållbart bränsle istället för socker med ljuskänsliga molekyler.
Detta skulle kunna uppnås på olika sätt. I SoFia-projektet, som avslutades sommaren 2023, fokuserade Bonnet och hans kollegor på tvålfilmer.
"Här härmar vi membranet och ljuskänsliga molekyler som en växt använder för fotosyntes", förklarar han. "Tvål är ett billigt material, och det kräver lite energi för att skapa tvålfilmerna."
Det slutliga målet är att producera kolmonoxid (CO). Bonnet säger:"En avgörande ingrediens för syngas - en blandning av kolmonoxid och vätgas - den här gasblandningen kan sedan omvandlas tillbaka till flytande bränsle, lämpligt för fordon."
Teamet utvecklade en maskin som lägger till ljuskänsliga molekyler till tvålen och sedan producerar ett kontinuerligt flöde av enhetliga såpbubblor. Under påverkan av ljus, och under rätt förhållanden, kan fotosyntes så småningom ske på tvålfilmerna av dessa bubblor. Om den lyckas separeras slutprodukterna från den fotokemiska reaktionen automatiskt längst ner på enheten.
Det fanns dock ett problem:Fotosyntes kräver en tvålfilm som är kemiskt olika på båda sidor. "Det är en grundläggande aspekt i naturen", förklarar Bonnet. "När man omvandlar energi till en annan energiform krävs asymmetri. En växts cellmembran är också asymmetriskt, liksom vår hud. I en större skala kan man tänka sig en motor, där kemisk energi omvandlas till rörelse. En motor arbetar alltid i en riktning."
Naturligtvis är sidorna av en tvålfilm kemiskt identiska. Forskarna var tvungna att hitta ett sätt att förändra kemin utan att bryta den ömtåliga tvålfilmen eller, med andra ord, utan att få bubblorna att spricka.
Bonnet förklarar, "Vi var tvungna att applicera olika molekyler på båda sidor, men det var ganska utmanande. När vi försökte med en pipett sprack bubblorna. Till slut använde vi en speciell dimspray gjord av kollega Cees van Rijn från universitetet Med den sprayen kunde vi försiktigt applicera våra ljuskänsliga molekyler på tvålfilmen
Nu finns det en maskin som automatiskt producerar tvålfilmer och en teknik för att kemiskt förbereda dessa filmer för fotosyntes. "Vi har också experimenterat med att producera väte genom att lysa blått ljus på fotokatalytiskt skum", tillägger Bonnet.
"Vi behöver nu kombinera dessa tre steg. Det slutliga målet:en maskin som skapar asymmetriska tvålfilmer. Att, när du lyser på den, levererar den bränsle på ena sidan och syre på den andra. Det är ganska revolutionerande och ambitiöst. Men vi har redan flera avgörande pusselbitar och är på rätt väg."
Mer information: Nidhi Kaul et al, Realizing Symmetry-Breaking Architectures in Soap Films, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.028201
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av Leiden University
