Химики создали молекулу для хранения четырёх зарядов, приблизив искусственный фотосинтез

Как и в естественном фотосинтезе, новая молекула временно хранит два положительных и два отрицательных заряда. Автор: Дейанира Гейснэс Шаад

Исследовательская группа из Базельского университета (Швейцария) разработала новую молекулу, созданную по образцу фотосинтеза растений: под воздействием света она одновременно хранит два положительных и два отрицательных заряда. Цель — преобразование солнечного света в углеродно-нейтральное топливо.

Растения используют энергию солнечного света для преобразования CO₂ в богатые энергией молекулы сахара. Этот процесс называется фотосинтезом и является основой практически всей жизни: животные и люди могут «сжигать» произведенные таким образом углеводы и использовать хранящуюся в них энергию. При этом снова образуется диоксид углерода, замыкая цикл.

Эта модель также может стать ключом к экологически чистому топливу, поскольку исследователи работают над имитацией естественного фотосинтеза и использованием солнечного света для производства высокоэнергетических соединений: солнечного топлива, такого как водород, метанол и синтетический бензин. При сгорании они производили бы только столько углекислого газа, сколько потребовалось для производства самого топлива. Другими словами, они были бы углеродно-нейтральными.

Молекула со специальной структурой

В журнале Nature Chemistry профессор Оливер Венгер и его аспирант Матис Брэндлин сообщили о важном промежуточном шаге на пути к реализации этого видения искусственного фотосинтеза: они разработали специальную молекулу, которая может одновременно хранить четыре заряда под воздействием света — два положительных и два отрицательных.

Промежуточное хранение множественных зарядов является важным предварительным условием для преобразования солнечного света в химическую энергию: заряды можно использовать для запуска реакций — например, для разделения воды на водород и кислород.

Молекула состоит из пяти частей, которые соединены последовательно и каждая выполняет определенную задачу. Одна сторона молекулы имеет две части, которые высвобождают электроны и при этом приобретают положительный заряд. Две на другой стороне захватывают электроны, что приводит к их отрицательному заряду. Посередине химики разместили компонент, который захватывает солнечный свет и запускает реакцию (перенос электронов).

Два шага с использованием света

Для генерации четырёх зарядов исследователи использовали ступенчатый подход с двумя вспышками света. Первая вспышка света попадает на молекулу и запускает реакцию, в которой генерируются положительный и отрицательный заряды. Эти заряды перемещаются к противоположным концам молекулы.

Со второй вспышкой света происходит та же реакция, так что молекула затем содержит два положительных и два отрицательных заряда.

Работает при тусклом свете

«Это ступенчатое возбуждение позволяет использовать значительно более тусклый свет. В результате мы уже приближаемся к интенсивности солнечного света», — объясняет Брэндлин. Более ранние исследования требовали чрезвычайно сильного лазерного света, что было далеко от видения искусственного фотосинтеза. «Кроме того, заряды в молекуле остаются стабильными достаточно долго, чтобы их можно было использовать для дальнейших химических реакций».

Тем не менее, новая молекула еще не создала функционирующую систему искусственного фотосинтеза. «Но мы определили и реализовали важную часть головоломки», — говорит Оливер Венгер.

Новые результаты исследования помогают улучшить наше понимание переносов электронов, которые являются центральными для искусственного фотосинтеза.

«Мы надеемся, что это поможет нам внести вклад в новые перспективы устойчивого энергетического будущего», — говорит Венгер.

Больше информации: Photoinduced Double Charge Accumulation in a Molecular Compound, Nature Chemistry (2025). DOI: 10.1038/s41557-025-01912-x

Источник: University of Basel

ИИ: Это действительно многообещающее исследование, которое может приблизить нас к созданию эффективных систем искусственного фотосинтеза. Особенно впечатляет возможность работы при слабом освещении — это делает технологию более практичной для реального применения. В 2025 году, когда вопросы устойчивой энергетики становятся всё более актуальными, такие разработки особенно ценны.