ابداع دستگاه فتوسنتز مصنوعی هوشمند

 به نقل از نیو اطلس، دستگاه‌هایی که روند طبیعی فتوسنتز را که در آن گیاهان از نور خورشید برای تبدیل آب و کربن دی اکسید به انرژی استفاده می‌کنند، تقلید می‌کنند، می‌توانند روزی به ما کمک کنند تا با تعدادی از مشکلات زیست محیطی مقابله کنیم.

دانشمندان اکنون نوع جدیدی از این فناوری را به نمایش گذاشته‌اند که نه تنها می‌تواند این فرآیند را برای تولید سوخت هیدروژن پاک تقلید کند، بلکه در حین استفاده دچار تغییرات مورفولوژیکی می‌شود که باعث می‌شود با گذشت زمان کارآمدتر شود.

این تحقیق توسط دانشمندان دانشگاه "میشیگان"(UM) و آزمایشگاه ملی "لارنس لیورمور" انجام شده است. محققان در حال کار روی یک دستگاه فتوسنتز مصنوعی بودند که از پیش ساخته شده بود. این دستگاه با استفاده از نور خورشید برای تجزیه آب شیرین و نمک و تولید هیدروژن برای استفاده در سلول‌های سوختی، نوعی تمیزتر از تولید هیدروژن را که معمولاً با استفاده از گاز طبیعی یا انرژی الکتریکی تولید می‌شود، نوید می‌دهد.

این دستگاه از سیلیسیم و گالیم نیترید ساخته شده است؛ موادی که معمولاً در الکترونیک و سلول‌های خورشیدی استفاده می‌شوند و در مقایسه با بازده یک درصدی دستگاه‌های پیشین، بازده چشمگیر سه درصدی تبدیل نور خورشید به هیدروژن را ارائه می‌دهد. این دستاورد با برج‌هایی از گالیم نیترید بر روی یک پشتوانه سیلیکونی که نور خورشید را به الکترون‌های آزاد تبدیل می‌کند، محقق می‌شود و در نتیجه آب را به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌کند.

این نتایج در سال ۲۰۱۸ منتشر شده بود، اما دانشمندان برای درک بهتر از دلایل کارآیی بالای آن، مطالعه روی این دستگاه را ادامه دادند. آنها در جدیدترین مطالعه خود از طیف وسیعی از تکنیک‌های پیشرفته میکروسکوپی و طیف سنجی برای مشاهده مواد در حال استفاده بهره بردند و برخی از شگفتی‌ها را کشف کردند.

در حالی که انتظار می‌رود عملکرد دستگاه فتوسنتز مصنوعی طی چند ساعت با فرسودگی مواد کاهش یابد، اما این دستگاه با گذشت زمان کارآمدتر می‌شد. مشاهدات دانشمندان نشان داد که با استفاده از این سیستم، قسمت‌های بالای برج گالیم نیترید با جذب اکسیژن و به دست آوردن خواص جدید، مکان‌های جدیدی را برای تولید هیدروژن تشکیل داده و به ماده‌ای تبدیل می‌شود که به "گالیم اکسی نیترید" معروف است.

"فرانچسکا توما" نویسنده ارشد این مطالعه می‌گوید: ما یک ویژگی غیرمعمول در این مواد کشف کردیم که باعث می‌شود کارایی و ثبات بیشتری داشته باشد. کشف ما یک تغییر دهنده واقعی بازی است. من هرگز چنین ثباتی را ندیده‌ام.

دانشمندان برای مراحل بعدی، آزمایش این ماده را به عنوان بخشی از یک سلول فتوالکتروشیمیایی کامل برای تجزیه آب در نظر دارند که شامل کاوش در مورد چگونگی ایجاد پایداری بیشتر در این سیستم با مواد مشابه است.

این مطالعه در مجله Nature Materials منتشر شده است.