კავანიში, იაპონია, 2022 წლის 15 ნოემბერი /PRNewswire/ — მოსახლეობის აფეთქების გამო, მთელ მსოფლიოში გამწვავდება ისეთი გარემოსდაცვითი საკითხები, როგორიცაა კლიმატის ცვლილება, ბუნებრივი რესურსების შემცირება, სახეობების გადაშენება, პლასტმასის დაბინძურება და ტყეების გაჩეხვა.
ნახშირორჟანგი (CO2) სათბურის აირია და კლიმატის ცვლილების ერთ-ერთი მთავარი მიზეზი. ამ მხრივ, „ხელოვნური ფოტოსინთეზის (CO2 ფოტორედუქცია)“ სახელით ცნობილი პროცესით შესაძლებელია CO2-ის, წყლისა და მზის ენერგიისგან საწვავისა და ქიმიკატებისთვის ორგანული ნედლეულის წარმოება, ისევე როგორც მცენარეები აკეთებენ ამას. ამავდროულად, ისინი ასევე ამცირებენ CO2-ის გამოყოფას, რადგან CO2 გამოიყენება როგორც ნედლეული ენერგიისა და ქიმიური რესურსების წარმოებისთვის. ამიტომ, ხელოვნური ფოტოსინთეზი ერთ-ერთ უახლეს მწვანე ტექნოლოგიად ითვლება.
MOF-ები (ლითონის ორგანული ჩარჩოები) არის ულტრაფოროვანი მასალები, რომლებიც შედგება არაორგანული ლითონებისა და ორგანული დამაკავშირებლების კლასტერებისგან. მათი კონტროლი შესაძლებელია მოლეკულურ დონეზე ნანომეტრულ დიაპაზონში და აქვთ დიდი ზედაპირის ფართობი. ამ თვისებების გამო, MOF-ები შეიძლება გამოყენებულ იქნას გაზის შესანახად, გამოყოფისთვის, ლითონების ადსორბციისთვის, კატალიზისთვის, წამლების მიწოდებისთვის, წყლის დამუშავებისთვის, სენსორებისთვის, ელექტროდებისთვის, ფილტრებისთვის და ა.შ. ბოლო დროს აღმოაჩინეს, რომ MOF-ებს აქვთ CO2-ის შთანთქმის უნარი, რაც შეიძლება იყოს ფოტორედუცირებული CO2, ანუ ხელოვნური ფოტოსინთეზისთვის.
კვანტური წერტილები, მეორე მხრივ, ულტრათხელი მასალებია (0.5–9 ნმ), რომელთა ოპტიკური თვისებები შეესაბამება კვანტური ქიმიისა და კვანტური მექანიკის წესებს. მათ „ხელოვნურ ატომებს ან ხელოვნურ მოლეკულებს“ უწოდებენ, რადგან თითოეული კვანტური წერტილი მხოლოდ რამდენიმე ან რამდენიმე ათასი ატომის ან მოლეკულისგან შედგება. ამ ზომის დიაპაზონში ელექტრონების ენერგიის დონეები აღარ არის უწყვეტი და ერთმანეთისგან გამოიყოფა ფიზიკური ფენომენის გამო, რომელიც ცნობილია როგორც კვანტური შემოფარგვლის ეფექტი. ამ შემთხვევაში, გამოსხივებული სინათლის ტალღის სიგრძე დამოკიდებული იქნება კვანტური წერტილების ზომაზე. ამ კვანტური წერტილების გამოყენება ასევე შესაძლებელია ხელოვნურ ფოტოსინთეზში მათი მაღალი სინათლის შთანთქმის უნარის, მრავალი ექსციტონის გენერირების უნარისა და დიდი ზედაპირის ფართობის გამო.
როგორც MOF-ები, ასევე კვანტური წერტილები სინთეზირებულია „მწვანე მეცნიერების ალიანსის“ ფარგლებში. ადრე, მათ წარმატებით გამოიყენეს MOF კვანტური წერტილების კომპოზიტური მასალები ჭიანჭველმჟავას წარმოებისთვის, როგორც ხელოვნური ფოტოსინთეზის სპეციალური კატალიზატორი. თუმცა, ეს კატალიზატორები ფხვნილის სახითაა და ეს კატალიზატორის ფხვნილები თითოეულ პროცესში ფილტრაციით უნდა შეგროვდეს. ამიტომ, რადგან ეს პროცესები უწყვეტი არ არის, მათი პრაქტიკული სამრეწველო გამოყენებისთვის გამოყენება რთულია.
საპასუხოდ, „გრინ სჯი ალიანს კო.“-ს წარმომადგენლებმა, ბატონმა ტეტსურო კაჯინომ, ბატონმა ჰიროჰისა ივაბააშიმ და დოქტორმა რიოჰეი მორიმ, გამოიყენეს თავიანთი ტექნოლოგია ხელოვნური ფოტოსინთეზის ამ სპეციალური კატალიზატორების იაფ ტექსტილის ფურცლებზე იმობილიზაციისთვის და შეიმუშავეს ჭიანჭველმჟავას წარმოების ახალი პროცესი, რომელსაც შეუძლია უწყვეტად მუშაობა პრაქტიკულ სამრეწველო გამოყენებაში. ხელოვნური ფოტოსინთეზის რეაქციის დასრულების შემდეგ, ჭიანჭველმჟავას შემცველი წყლის ამოღება შესაძლებელია ექსტრაქციისთვის და კონტეინერში ახალი სუფთა წყლის დამატება შესაძლებელია ხელოვნური ფოტოსინთეზის უწყვეტი განახლების მიზნით.
ჭიანჭველმჟავას შეუძლია წყალბადის საწვავის ჩანაცვლება. წყალბადის საზოგადოების მთელ მსოფლიოში გავრცელების ერთ-ერთი მთავარი ხელისშემშლელი მიზეზი ის არის, რომ წყალბადი სამყაროში ყველაზე პატარა ატომია, ამიტომ მისი შენახვა რთულია, ხოლო მაღალი დალუქვის ეფექტის მქონე წყალბადის ავზის წარმოება ძალიან ძვირი დაჯდება. გარდა ამისა, წყალბადის აირი შეიძლება ასაფეთქებელი იყოს და უსაფრთხოების საფრთხეს წარმოადგენდეს. რადგან ჭიანჭველმჟავა თხევადია, მისი საწვავის სახით შენახვა უფრო ადვილია. საჭიროების შემთხვევაში, ჭიანჭველმჟავას გამოყენება შესაძლებელია წყალბადის ადგილზე წარმოების კატალიზებისთვის. გარდა ამისა, ჭიანჭველმჟავას გამოყენება შესაძლებელია სხვადასხვა ქიმიკატების ნედლეულად.
მიუხედავად იმისა, რომ ხელოვნური ფოტოსინთეზის ეფექტურობა კვლავ დაბალია, მწვანე მეცნიერების ალიანსი გააგრძელებს ბრძოლას ეფექტურობის გაუმჯობესებისთვის, რათა შეიქმნას ხელოვნური ფოტოსინთეზის პრაქტიკული გამოყენება.