Grafene per migliorare la fotosintesi artificiale
La fotosintesi (dal greco φώτο- [foto-], “luce”, e σύνθεσις [synthesis], “costruzione, assemblaggio”) è quel processo che usa l’energia solare per catalizzare reazioni chimiche al fine di costruire molecole utili, tipo zuccheri, da molecole inutili, tipo anidride carbonica. Alla natura questo processo riesce facile, a noi no. Ci piacerebbe tanto sfruttare la marea di energia con cui il sole ci inonda, ma la nano-ingegneria sviluppatasi in piante, alghe e alcuni batteri è straordinariamente complessa. Per avere un’idea guardatevi un po’ di schemi di reazioni sulla pagina di wiki.
Molti gruppi di ricerca in giro per il mondo, come il team del Korea Research Institute of Chemical Technology di Daejon e quello del Ewha Womans University di Seoul (Sud Korea), stanno studiando come semplificare il sistema per poterlo utilizzare industrialmente a costi vantaggiosi.
Si vuole sfruttare la luce per catalizzare reazioni che trasformino direttamente la CO2 in qualcosa di utile. In questo caso si voleva ottenere formiato, materia prima in produzione di plastiche o per le pile a combustibile. Si impiega come catalizzatore della reazione l’enzima formiato deidrogenasi (a destra nell’immagine) che, dato il costo energetico necessario per staccare un legame C=O dalla CO2, richiede NADH (e lo converte in NAD+). Quando tutto il NADH è convertito in NAD+ l’enzima smette di lavorare. Occorre un sistema che ricicli il NAD+ in NADH. A tal scopo si aggiunge al sistema uno strano catalizzatore con il rodio (Rh) che vedete nel centro dell’immagine. Questo catalizzatore compie anch’esso un ciclo e, per ripristinarsi, prende l’energia direttamente da quella grossa molecola a sinistra, chiamata fotocatalizzatore, proprio perché prende l’energia luminosa della luce e la trasferisce all’altro catalizzatore mediante trasferimento elettronico. In pratica come fanno le clorofille. Questa molecola ha un cuore di grafene (il foglio di soli anelli grigi di carbonio al centro) e porfirine (quelle parti con gli azoti blu) con attaccati svariati antrachinoni (i tre anelli uniti con gli ossigeni rossi).
Il vantaggio principale di questo metodo è poter sfruttare la luce visibile, che corrisponde al 46% della radiazione solare che raggiunge la Terra, mentre i sistemi attuali usano principalmente l’UV, che è solo il 4% ma ha maggiore energia ed è quindi più facilmente convertibile. Inoltre tutto il processo è più green.
Questa tecnologia inoltre è facilmente adattabile alla produzione di altre molecole di interesse, basta usare diversi enzimi. Un esempio immediato è costituito dalla sintesi di molecole chirali con controllo sugli stereocentri, facilmente ottenibile poiché la reazione finale è catalizzata da enzimi. Queste molecole sono oro per le industrie farmaceutiche.
