Το πρώτο μοντέλο Τεχνητής φωτοσύνθεσης δημιουργήθηκε για πρώτη φορά διεθνώς στο Πανεπιστήμιο Κρήτης σε συνεργασία με ξένους επιστήμονες. Μιμούμενο τη Φύση και συγκεκριμένα τα φυτά, μπορεί να πραγματοποιεί συλλογή και αποθήκευση της ηλιακής ενέργειας.

Σε μια περίοδο που η ατμόσφαιρα στον πλανήτη φορτώνεται επικίνδυνα με τοξικές χημικές ενώσεις, λόγω της χρήσης ενεργοβόρων ρυπογόνων μονάδων, είναι σημαντικό για μια οικολογία της ενέργειας στην πράξη το συγκεκριμένο ερευνητικό εγχείρημα. Η εν λόγω επιστημονική εργασία δημοσιεύτηκε την 1η Σεπτεμβρίου στο περιοδικό Nature communications.

Εφ.Συν. / Πα

Για την επίτευξη του συγκεκριμένου στόχου συνεργάστηκαν οι ερευνητικές ομάδες της καθηγήτριας Άννας Μητράκη από το Τμήμα Επιστήμης Υλικών του Πανεπιστημίου και του Ι.Τ.Ε., το Εργαστήριο Βιοανόργανης Χημείας του Πανεπιστημίου Κρήτης, με επικεφαλής τον καθηγητή Αθανάσιο Κουτσολέλο και τον Γάλλο καθηγητή Σίλβιο Μπάλαμπαν από το Πανεπιστήμιο της Μασσαλίας.

-Κύριε Κουτσολέλο τι δείχνει η μελέτη σας;

-Η μελέτη αυτή δίνει μια νέα διάσταση τόσο στην κατανόηση της διαδικασίας τεχνητής συλλογής φωτός όσο και στην πρόβλεψη της δομής των διαφόρων οργανωμένων υβριδικών οντοτήτων που περιέχουν ένα χρωμοφόρο και ένα πεπτίδιο. Το σύστημα αυτό αυτοοργανώνεται όπως τα αντίστοιχα συστήματα της Φύσης με τρόπο ανάλογο σε ίνες οργανικές.

-Υπάρχει δηλαδή μίμηση της φύσης και πώς;

-Βεβαίως. Στα πρώτα στάδια της εξέλιξης της ζωής και μετά τη βελτιστοποίηση του τρόπου βιοσύνθεσης της βακτηριοχλωροφύλλης, η Φύση πραγματοποίησε μια σημαντική οικονομία στα γονίδια τα οποία εκφράζουν τις μεγάλες πρωτεΐνες. Αυτό έγινε με την αξιοποίηση της αυτοοργάνωσης για την κατασκευή συστημάτων συλλογής της ηλιακής ακτινοβολίας, τα οποία στη συνέχεια προσαρμόστηκαν στις συνθήκες φωτισμού του φυσικού περιβάλλοντος. Πιο συγκεκριμένα, ορισμένα φωτοσυνθετικά βακτήρια που
ζουν στο νερό σε μεγάλο βάθος σχηματίζουν τα χλωροσώματα, τα οποία είναι ομόκεντροι ελικοειδείς νανοσωλήνες και σχηματίζονται μετά από αυτοοργάνωση μορίων βακτηριοχλωροφύλλης. Οι συγκεκριμένες αυτόοργανωμένες δομές είναι το πιο αποτελεσματικό σύστημα συλλογής ηλιακής ακτινοβολίας που υπάρχει στη Φύση. Η επινοητικότητα της Φύσης να αυτοοργανώνει μικρά μόρια σε περισσότερο πολύπλοκες δομές, αποτέλεσε έμπνευση για την επιστημονική κοινότητα, η οποία έθεσε ως στόχο το σχεδιασμό καινοτόμων υλικών με ευδιάκριτες υπερμοριακές αρχιτεκτονικές. Ωστόσο παρά τη μεγάλη πρόοδο που έχει σημειωθεί τα τελευταία χρόνια στην ανάπτυξη τεχνητών αυτοοργανωμένων συστημάτων, κανένα από αυτά δεν έχει πλησιάσει την πολυπλοκότητα και την
αποτελεσματικότητα των χλωροσωμάτων.

-Η δική σας εργασία σε τι συνίσταται;

-Στην παρούσα εργασία, παρουσιάζουμε ένα υβριδικό σύστημα χρωμοφόρου ενωμένο ομοιοπολικά με ένα διπλό πεπτίδιο (διπεπτίδιο). Ως χρωμοφόρο επιλέχθηκε μια πορφυρίνη λόγω της ομοιότητάς της με τη χλωροφύλλη που χρησιμοποιεί η Φύση, ενώ το διπεπτίδιο που ενώθηκε ήταν η διφαινυλαλανίνη καθώς έχει αναφερθεί ότι έχει την τάση να αυτοοργανώνεται σχηματίζοντας νανοδομές με ενδιαφέρουσες ιδιότητες.

-Πώς αυτοοργανώνεται;

-Μελέτες του συντιθέμενου συστήματος έδειξαν ότι έχει την τάση να αυτοοργανώνεται σχηματίζοντας είτε νανοσφαίρες είτε νανοϊνίδια. Η προκύπτουσα δομή εξαρτάται από την πολικότητα του διαλύτη που χρησιμοποιείται. Θα πρέπει να αναφερθεί ότι είναι μια από τις ελάχιστες περιπτώσεις όπου έχοντας την ίδια ένωση και απλά αλλάζοντας την πολικότητα (τα φορτία που έχει) του διαλύτη αλλάζει και η δομή των νανοδομών που σχηματίζονται. Επίσης πρόκειται για μια αντιστρεπτή διαδικασία καθώς αλλάζοντας τους διαλύτες μπορούμε να μεταβούμε από τη μια διαμόρφωση στην άλλη, αλλάζει δηλαδή η πολυμορφία των νανοδομών.

-Σε μοριακό επίπεδο τι γίνεται;

-Τα μόρια που μελετήθηκαν ήταν χειρόμορφα (είναι η σχέση που έχει το δεξί χέρι με το αριστερό χέρι) και πειράματα κυκλικού διχρωισμού έδειξαν ότι οι προκύπτουσες νανοδομές είναι επίσης χειρόμορφες, συνεπώς η χειρομορφία μεταφέρεται από το μοριακό στο υπερμοριακό επίπεδο, σε πολλές ενωμένες χημικές ενώσεις. Οι νανοΐνες αυτές που σχηματίζονται διαθέτουν έναν μεγάλο αριθμό πορφυρινών μεταξύ των οποίων μπορεί να μεταφερθεί αποτελεσματικά η ενέργεια σε έναν τελικό δέκτη, όπως συμβαίνει και στα φυσικά συστήματα συλλογής του φωτός. Συνεπώς, συντέθηκε ένα τεχνητό σύστημα δέσμευσης της ηλιακής ακτινοβολίας το οποίο μιμείται σε μεγάλο βαθμό τις διεργασίες της φύσης. Οι συγκεκριμένες νανοδομές θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν στα τρίτης γενιάς φωτοβολταικά συστήματα ως μία αποτελεσματική διάταξη συλλογής της ηλιακής ακτινοβολίας.