Еще со времен Жюля Верна использование воды в качестве топлива постоянно упоминается в научной фантастике. Но недавнее открытие придвинуло этот процесс на один шаг ближе к реальности – благодаря имитации самого первого этапа каскада реакций по расщеплению воды.
Ученые из Аргоннской национальной лаборатории министерства энергетики США и Университета штата Аризона смогли построить в лабораторных условиях фотосистему II – первый белковый комплекс в длинной цепи реакций по превращению солнечного света в топливо. Фотосистема II применяет возбужденные электроны для расщепления воды на кислород, протоны и электроны, необходимые для завершения процесса фотосинтеза.
Когда свет попадает на электрон в молекуле хлорофилла, лежащей в основе фотосистемы II, возбужденный электрон переходит на более высокий энергетический уровень, оставляя позади себя положительно заряженную «пустоту», или дырку. Та потом заполняется другими электронами, которые специальный фермент извлекает из воды. Возбужденный электрон затем проходит по множеству белков-переносчиков электронов, подобно эстафетной палочке.
Однако движение электрона несет с собой отрицательный заряд. Белок компенсирует его за счет переноса положительно заряженного протона. Когда проходят оба эти этапа, передача эстафетной палочки успешно завершена.
«Проблема состоит вот в чем: хотя нам точно известно, как эти реакции проходят в природе, в лабораторных условиях воссоздать их чрезвычайно сложно – очень тяжело создать модель белковой среды», — рассказывает специалист по нанотехнологиям Тиджана Радж (Tijana Rajh).
Радж и ее коллеги воспользовались инструментами Центра наномасштабных материалов Лаборатории для создания органически-неорганического гибрида, на основе наночастиц диоксида титана. Гибридный материал осуществлял такое же разделение зарядов, как и естественная система, в том числе перенос электронов и протонов. Следили за процессом ученые с помощью техники электронного парамагнитного резонанса (EPR).
«У такого рода исследований три составных части: синтез материалов, эксперименты с EPR, теоретические расчеты», — говорит Радж. «EPR – это оптимальная техника для изучения фотохимических реакций. Только он позволяет нам увидеть одновременно электроны и дырки», — рассказывает химик Олег Полуэктов.
Радж и Полуэктов собираются создавать более совершенную модель биологической системы фотосинтеза. «Она должна быть дешевой, стабильной и производительной. Сейчас она удовлетворяет только первым двум требованиям», — говорит Радж.
Исследование представлено в журнале Nature Chemistry.
По материалам пресс-релиза лаборатории.
Источник: А. Космарский nauka21vek.ru
