Ученые-химики создали наночастицы, которые в промышленных условиях могут заменить фотосинтез. Они улавливают углекислый газ и производят углеводороды — основу для органики. Разработку можно применять для создания датчиков углекислоты в рабочих помещениях, где они сигнализируют о повышении доли газа, что приводит к усталости и сонливости людей. В фермерских хозяйствах такие сенсоры будут востребованы для установки в теплицах, где они, наоборот, сообщат о снижении углекислого газа, что угнетает рост растений. В науке новые наночастицы будут служить основой для получения систем искусственного фотосинтеза нового поколения. Такие системы смогут производить кислород в качестве побочного продукта.
Искусственный фотосинтез
Ученые из Казанского федерального университета создали вещество, которое способно имитировать процесс естественного фотосинтеза. А именно — улавливать углекислый газ, как это делают растения и деревья.
При этом новая субстанция обладает рядом необычных свойств. В частности, она светится под действием ультрафиолета и тускнеет, когда улавливает молекулы углекислоты. Таким образом, вещество может сигнализировать о высоком содержании этого газа в окружающей среде. К примеру, датчики, сделанные с использованием нового вещества, смогут подсказать, когда нужно открыть окно и проветрить помещение, чтобы снизить концентрацию углекислого газа в воздухе.
Известно, что в околоземных слоях атмосферы доля углекислого газа в воздухе составляет порядка 0,04%. При этом доказано, что превышение этого параметра может вызвать у людей состояние усталости, сонливости и рассеяния внимания. А также спровоцировать головные боли. Увеличение уровня углекислого газа выше 5–7% грозит человеку потерей сознания.
— Полученная нами субстанция — это порошок желтого цвета, который состоит из комбинации наноструктур пилларенов с частицами меди. Пилларены — это циклические молекулы, которые по форме напоминают трубки. В них можно поместить более мелкие молекулы. В том числе такие «трубки» с ионами меди эффективно поглощают молекулы СО2 и способствуют его химическому восстановлению. Так происходит искусственный фотосинтез, — рассказал «Известиям» руководитель исследования, доцент кафедры органической и медицинской химии Химического института имени А.М. Бутлерова Казанского федерального университета Дмитрий Шурпик.
Он пояснил, что в живой природе фотосинтез можно условно разделить на три стадии. На первом этапе происходит поглощение растением через листья и стебли углекислого газа из воздуха. На втором — углерод, выделенный из этого газа, задействуется для создания органических соединений, которые растения используют для своего роста и развития. Третий этап заключается в удалении побочных продуктов в атмосферу. Один из «отходов» фотосинтеза — это кислород, который люди и животные используют для дыхания.
— В исследовании был искусственно воссоздан первый этап фотосинтеза и частично второй. В том числе было показано, что частицы меди в составе полученного нами молекулярного комплекса способствуют восстановлению углерода до простейших углеводородов. Таких, как угарный газ и метан. Они, в свою очередь, служат основой для многих органических соединений, — сообщил Дмитрий Шурпик.
Датчики углекислого газа
По мнению ученого, в ближайшей перспективе можно ожидать, что разработка будет востребована для создания сенсоров углекислого газа в замкнутых системах. Например, на борту самолетов, космических или подводных кораблей, где увеличение CO2 в воздухе будет означать соразмерное уменьшение доли кислорода. Также подобные устройства могут применять в фермерских хозяйствах для контроля уровня углекислого газа внутри теплиц, поскольку замечено, что снижение содержания этого вещества в воздухе замедляет рост растений.
— Мы предлагаем методы ускоренного нанесения флуоресцирующих порошков на поверхность небольших электродов-пластин. Отслеживая изменение их флуоресцентных и электрохимических характеристик, можно в режиме реального времени получать данные о содержании CO2 в помещении, — рассказал Дмитрий Шурпик.
Ученый добавил, что получение новой субстанции в промышленных масштабах не представляет особой сложности, поскольку ее синтез не требует специального оборудования. Реакцию можно производить в обычных условиях при комнатной температуре.
Однако, как считает специалист, наибольший интерес полученные структуры представляют в качестве научной модели, которая дает биохимикам инструмент для наблюдения за этапами фотосинтеза. В дальнейшем такие исследования откроют широкие возможности по созданию фотосинтетических систем нового поколения.
Получение кислорода
— Преимущество сложных молекулярных структур, где центральным атомом выступает металл, заключается в том, что под разные задачи в них можно подобрать такие компоненты, которые будут наилучшим образом выполнять свои функции в тех или иных условиях, — высказал свое мнение старший научный сотрудник НИЦ «Неорганические наноматериалы» НИТУ МИСИС Антон Конопацкий.
Он пояснил, что ученым из КФУ удалось создать эффективную структуру — одна ее часть часть захватывает молекулы углекислого газа, а во второй происходит их переработка. Специалист подчеркнул, что воссоздание полного цикла фотосинтеза в искусственных условиях откроет широкие перспективы в различных сферах жизни.
Как считает эксперт, в перспективе на базе полученных наноструктур можно разработать своего рода миниатюрные конвейеры для получения синтетического топлива с помощью химических реакций, которые протекают под воздействием света.
— Исследование подтверждено грантами научного сообщества и публикацией в авторитетном международном рейтинговом журнале. Это свидетельствует о том, что работа интересная, актуальная и имеет научную и практическую значимость, — отметил заведующий кафедрой органической физики Российского государственного университета имени А.Н. Косыгина Дмитрий Кузнецов.
Специалист подчеркнул, что важным этапом на этом пути будет создание молекулярных комплексов для воссоздания в искусственном виде полного цикла фотосинтеза, включая получение кислорода.