ابداع دستگاه فتوسنتز مصنوعی هوشمند

 به نقل از نيو اطلس، دستگاه‌هايي که روند طبيعي فتوسنتز را که در آن گياهان از نور خورشيد براي تبديل آب و کربن دي اکسيد به انرژي استفاده مي‌کنند، تقليد مي‌کنند، مي‌توانند روزي به ما کمک کنند تا با تعدادي از مشکلات زيست محيطي مقابله کنيم.

دانشمندان اکنون نوع جديدي از اين فناوري را به نمايش گذاشته‌اند که نه تنها مي‌تواند اين فرآيند را براي توليد سوخت هيدروژن پاک تقليد کند، بلکه در حين استفاده دچار تغييرات مورفولوژيکي مي‌شود که باعث مي‌شود با گذشت زمان کارآمدتر شود.

اين تحقيق توسط دانشمندان دانشگاه "ميشيگان"(UM) و آزمايشگاه ملي "لارنس ليورمور" انجام شده است. محققان در حال کار روي يک دستگاه فتوسنتز مصنوعي بودند که از پيش ساخته شده بود. اين دستگاه با استفاده از نور خورشيد براي تجزيه آب شيرين و نمک و توليد هيدروژن براي استفاده در سلول‌هاي سوختي، نوعي تميزتر از توليد هيدروژن را که معمولاً با استفاده از گاز طبيعي يا انرژي الکتريکي توليد مي‌شود، نويد مي‌دهد.

اين دستگاه از سيليسيم و گاليم نيتريد ساخته شده است؛ موادي که معمولاً در الکترونيک و سلول‌هاي خورشيدي استفاده مي‌شوند و در مقايسه با بازده يک درصدي دستگاه‌هاي پيشين، بازده چشمگير سه درصدي تبديل نور خورشيد به هيدروژن را ارائه مي‌دهد. اين دستاورد با برج‌هايي از گاليم نيتريد بر روي يک پشتوانه سيليکوني که نور خورشيد را به الکترون‌هاي آزاد تبديل مي‌کند، محقق مي‌شود و در نتيجه آب را به هيدروژن و اکسيژن تجزيه مي‌کند.

اين نتايج در سال ۲۰۱۸ منتشر شده بود، اما دانشمندان براي درک بهتر از دلايل کارآيي بالاي آن، مطالعه روي اين دستگاه را ادامه دادند. آنها در جديدترين مطالعه خود از طيف وسيعي از تکنيک‌هاي پيشرفته ميکروسکوپي و طيف سنجي براي مشاهده مواد در حال استفاده بهره بردند و برخي از شگفتي‌ها را کشف کردند.

در حالي که انتظار مي‌رود عملکرد دستگاه فتوسنتز مصنوعي طي چند ساعت با فرسودگي مواد کاهش يابد، اما اين دستگاه با گذشت زمان کارآمدتر مي‌شد. مشاهدات دانشمندان نشان داد که با استفاده از اين سيستم، قسمت‌هاي بالاي برج گاليم نيتريد با جذب اکسيژن و به دست آوردن خواص جديد، مکان‌هاي جديدي را براي توليد هيدروژن تشکيل داده و به ماده‌اي تبديل مي‌شود که به "گاليم اکسي نيتريد" معروف است.

"فرانچسکا توما" نويسنده ارشد اين مطالعه مي‌گويد: ما يک ويژگي غيرمعمول در اين مواد کشف کرديم که باعث مي‌شود کارايي و ثبات بيشتري داشته باشد. کشف ما يک تغيير دهنده واقعي بازي است. من هرگز چنين ثباتي را نديده‌ام.

دانشمندان براي مراحل بعدي، آزمايش اين ماده را به عنوان بخشي از يک سلول فتوالکتروشيميايي کامل براي تجزيه آب در نظر دارند که شامل کاوش در مورد چگونگي ايجاد پايداري بيشتر در اين سيستم با مواد مشابه است.

اين مطالعه در مجله Nature Materials منتشر شده است.